大爆炸后3分钟︱目前已知的所有粒子是如何形成的？

根据狭义相对论，质量和能量都是同一事物的不同表现形式。对于普通人来说，这是一个有些陌生的概念。-爱因斯坦

今天我们将前往热大爆炸的早期阶段，一段粒子/反粒子湮灭的时期。看看我们目前所知的所有粒子是如何在宇宙诞生后形成的？为什么有的粒子消失了，有的粒子却以一定比例被宇宙保留下来？所有高能故事都发生在宇宙诞生3分钟后！

让我们从今天的宇宙出发，按下想象中的“倒带”键，穿越回早期的宇宙。

中性原子时代

今天的宇宙充满了恒星，这些恒星结合形成巨大的星系结构，在更大的尺度上，星系群、星系团和交织在一起的细丝。就我们所能观测到的部分而言，数百亿光年内至少散布着数千亿个星系。

宇宙从更致密、更致密、更均匀、更热的状态发展而来，但宇宙是如何变成今天这个样子的呢？今天，一切都彼此相距甚远，因为宇宙总是在膨胀。

如果我们向后推断，今天相对不重要的事情之一（宇宙的温度，微波辐射仅比绝对零高出2.7K）变得越来越重要。在漫射密度和低能量下，这些剩余的光子不会做太多，如果你家里还有一台带兔耳天线的电视，这些辐射的光子会在你的电视像素的频道3中产生少量的“雪花”

约1%的“雪花”来自宇宙微波背景。

当宇宙更年轻更小的时候，这些光子不仅更密集（因为宇宙更小）而且更热（因为波长光子决定它的能量）。如果我们一直往回走，微波辐射变成红外线，温度从绝对零以上的个位数到绝对零以上的两位数，再到绝对零以上的三位数，最终超过水的沸点，甚至最终达到堪比恒星的温度，最终稳定原子的电子会被光子“踢出”原子而电离，所以宇宙即使是中性也无法形成原子。

夸克胶子等离子体

再往前走，我们将到达一个无法形成原子核的时代，因为高能光子会将它们炸成单个的质子和中子。我们甚至可以追溯到非常早的时代，那时宇宙诞生不到一秒钟，光子的能量如此之高，以至于两个光子会自发地产生相等的物质和反物质对。在宇宙膨胀冷却到这个阶段之前，宇宙不过是物质、反物质和辐射的原始“汤”，物质和反物质自然湮灭转化为纯能量，物质和反物质分离纯能量。能量中自然会出现相位平衡。爱因斯坦最著名的方程E=mc^2在这一点上是双向平衡的。

光子能量越高，自发产生的粒子对越重。如果我们回溯到宇宙平均能量高到足以产生一对顶反顶夸克（已知最重的基本粒子）的时代，我们会发现当时的光子数量远少于今天。光子！

为什么？

因为就像粒子-反粒子对可以湮灭形成两个光子一样，在足够高的能量下，两个光子可以相互作用形成粒子-反粒子对！

虽然此时宇宙中有一定数量的光子，但是想一想标准模型中的每一个基本粒子，包括有质量的粒子和无质量的粒子。所有6种夸克和反夸克，每种都具有三种不同的颜色，3种带电轻子和3种中微子，以及它们的反粒子对应物，8种胶子，3种弱玻色子，光子和希格斯玻色子，所有这些都有自己的自旋配置。

这种能量不仅仅是光子，而是均匀分布在所有这些粒子中。（根据Maxwell-Boltzmann能量分布和适当的统计：费米子的Fermi-Dirac统计，玻色子的Bose-Yao统计）当能量足够高，温度足够高时，粒子/反粒子湮灭仍然会发生，但是它们的发生率与粒子/反粒子的产生率相同。

然而，随着宇宙的膨胀和冷却，湮灭率下降了一点，因为每个粒子都更难找到它们的反粒子来湮灭，但是前反粒子对的产生率急剧下降，因为平均能量下降到在粒子/反粒子产生阈值以下，生产率开始呈指数下降。

任何不稳定粒子的丰度都会随着其周围环境的温度/能量下降到质量产生阈值以下而下降。

毫无疑问，宇宙中几乎所有在高能时刻产生的粒子都是不稳定的，所有已知类型的粒子和反粒子在此刻大量存在于宇宙中。那么当宇宙膨胀和冷却时会发生什么？（按质量顺序）

顶夸克/反顶夸克对的产生停止；其余的湮灭或腐烂。

停止生产希格斯/希格斯对；其余的湮灭或腐烂。这（大致）与电弱对称性破缺一致。

Z_0玻色子自发停止；剩余的（大部分）衰减。

W+/W-玻色子停止产生；其余的（大部分）腐烂。

底夸克/反底夸克、tauon/antitauon，然后charm/anticharm夸克对停止产生；其余的要么湮灭要么腐烂。

在所有这些情况下，较高质量粒子的湮灭（或衰变）会加热所有其他剩下的物质。然后发生了一件非常有趣和重要的事情：当宇宙冷却到下一个临界点（停止产生奇异/反奇异夸克）时，它开始从夸克/胶子等离子体变成单个重子（三个夸克的组合）)、反重子（三个反夸克的组合）和介子（一个夸克和一个反夸克的组合）。这就是“夸克禁闭”首次出现的地方。

所有已知的粒子是如何形成的？为什么有的粒子消失了，有的粒子却以一定比例被宇宙保留下来？

然后宇宙冷却到临界点并发生以下湮灭/衰变：（按顺序）

所有奇夸克/反奇夸克衰变/湮灭，

所有不稳定重子，反重子和介子（除了中子、反中子和带电介子）将衰变和湮灭，

中子/反中子和质子/反质子发生湮灭，留下少量过剩的质子和中子，这代表给定我们今天拥有的物质/反物质不对称性，

最后，带电介子停止产生，湮灭/衰变，然后

μ子/反μ子停止产生，湮灭/衰变。

现在，我们在宇宙中只剩下很少的质子和中子，大量的电子/正电子对，大量的中微子/反中微子对，大量的光子。我们认为与其他粒子不耦合的暗物质（始终存在）。

接下来你可能会期望电子/正电子湮灭，但首先会发生另外两件事。

上图：质子和中子正在来回玩游戏：质子试图与电子结合形成中子和中微子，而中子和中微子则试图反其道而行之，产生质子和电子。（质子和反中微子也可能结合形成中子和正电子，以及相反的反应。）在几毫秒的过程中（这在快速变化的早期宇宙中确实是相当长的时间），这些反应发生在同样的速度。但随着能量下降和温度下降，质子和中子之间微小的质量差异开始发挥作用，从中子产生质子的反应比从质子产生中子的反应更容易进行。当宇宙诞生一秒左右时，质子与中子的比例从50/50变为接近85/15，宇宙更倾向于质子。也可以这样理解，质子的能量较低，更有利于形成和储存能量。

特别注意左下角，那里有相等数量的质子和中子，但由于中子-质子反应的强度与质子-中子反应的强度不同，质子开始支配中子。

然后，宇宙再次膨胀并冷却，弱相互作用（允许中微子与所有其他类型的粒子交换能量，允许质子/中子来回转换的相互作用）被冻结。这意味着中微子和反中微子的相互作用率、能量和横截面变得太低，无法参与宇宙中发生的任何事情。

到目前为止，电子/正电子、中微子/反中微子和光子都从它们的湮灭中获得了它们的能量份额。但是当中微子（和反中微子）冻结时，它们就不再参与任何宇宙游戏。直到被我们人类发现，称为幽灵粒子。

所以当最后的湮灭阶段发生时，当宇宙冷却到足以不再产生电子/正电子对时，它们就会湮灭（留下足够的电子来平衡质子的电荷，宇宙是电中性的），将所有的能量都转化为光子，但没有转化为中微子和反中微子。

这就是为什么宇宙微波背景（大爆炸遗留下来的光子背景）的测量值为2.725K，而宇宙中微子背景（必须遗留下来的中微子背景）预计仅为1.95K或者。

然后由于中子的不稳定性，继续衰变成质子、电子和中微子，这就是为什么在宇宙诞生后的3分钟变化后，剩下的一小部分中子衰变，产生（大约）87.6/质子与中子之比为12.4。在这个阶段之后，最终光子已经冷却到足以让宇宙通过核合成形成第一个重元素。这就是为什么我们在大爆炸后不久就有了最初的氢/氦比：因为所有这些粒子在早期宇宙中扮演的特殊角色。

这是我们所知道的宇宙中所有已知粒子的最佳版本，以及它们在热大爆炸的最初阶段如何表现，直到它们被冻结、湮灭和衰变。