每种基本粒子都有相应的反粒子。我们通常所见的物质由粒子构成，与此相仿，反粒子也会构成反物质。现代宇宙学观测表明，可见宇宙中物质的总量比反物质多出10-9。正物质为何比反物质多出一点，是当前宇宙学的一大未解之谜，称为正反物质不对称疑难。
上世纪60年代，前苏联物理学家Andrei Sakharov指出，在一个正反物质初始对称的宇宙中，若能演化出正反物质不对称，则需宇宙在一段时期内同时满足三个必要条件：重子数破缺、C和CP破缺、偏离热平衡。粒子物理学的标准模型具备满足Sakharov三条件的所有要素，但是其中的CP破缺过于微弱，不足以解释10-9量级的正反物质不对称性。因此，通常认为正反物质不对称性的起源来自超出标准模型的新物理。
目前，最为主流的模型之一是所谓的“轻子生成”（leptogenesis）机制。这种机制来源于对标准模型的一个简洁的扩充：在标准模型现有的左手中微子的基础上，引入一种不参与强、弱、电磁相互作用、且破缺轻子数的右手Majorana中微子。右手中微子与标准模型Higgs粒子的相互作用足以提供解释正反物质不对称性所需的CP破缺，再结合宇宙早期发生的若干非平衡和非微扰过程，使轻子数破缺转化为重子数破缺，就足以解释如观测所见的正反物质不对称。
在通常的轻子生成机制中，右手中微子的质量须在109GeV以上，比现有的粒子对撞机能量高出至少十万倍，这意味着无法通过对撞机实验直接产生右手中微子并研究其性质。因此，尽管轻子生成机制可以成功地解释宇宙正反物质的不对称性，但是一般认为，通过实验观测验证这一机制是极为困难的。
在最近的一项研究中[1]，清华大学物理系助理教授鲜于中之与加州大学河滨分校的崔彦讴副教授（物理系2000级系友）基于近年来发展的宇宙学对撞机物理，提出了一种利用宇宙暴涨观测量直接探测轻子产生机制的新方法。
宇宙暴涨是发生在宇宙极早期的一段短暂而快速的近指数膨胀，其能量尺度（以Hubble参数计）很可能接近或高于右手中微子的质量。在这种情况下，右手中微子可在暴涨期间通过真空涨落大量产生，并在宇宙原初曲率扰动中留下特殊的振荡信号，称为宇宙学对撞机信号。因此，通过观测宇宙原初曲率扰动中的振荡信号，就有机会探测右手中微子的若干性质。
该项工作利用了鲜于中之此前与合作者，香港科技大学的副教授王一与研究生鲁诗韵提出的一种宇宙学对撞机的具体模型，称为“宇宙学Higgs对撞机”[2]。在这种模型中，宇宙在大尺度上表现出的不均匀性来源于标准模型Higgs场在暴涨时期的真空涨落。在暴涨结束之后，Higgs场通过调制宇宙重加热（reheating）的速率，将Higgs场的涨落转化为热大爆炸宇宙中的密度涨落，而后者可通过宇宙微波背景辐射、大尺度结构巡天等手段进行探测。因此，通过这些宇宙学观测研究原处涨落的关联函数，就有可能提取Higgs场的相互作用信息。
图1: 暴涨时期右手中微子与标准模型Higgs场的相互作用产生的一圈图，在暴涨结束后的重加热（reheating）过程中转化为宇宙的大尺度涨落。
在此基础上，崔彦讴与鲜于中之进一步指出，若右手中微子存在Majorana质量项，那么中微子质量矩阵与Higgs的Yukawa相互作用矩阵就无法同时对角化，而这会导致一个特别的Higgs场的三点关联函数。在这个关联函数的宇宙学对撞机信号中，关于右手中微子的若干性质，包括破坏轻子数的相互作用、Majorana质量、CP破缺相位，都会留下特征性的印迹。
图2: 三种不同的费米子一圈图产生的宇宙学对撞机信号。
这项工作的一个关键理论技术是可靠地计算由右手中微子产生的一圈图。在暴涨宇宙的弯曲时空中进行量子场论的费曼图计算是一个困难的问题。鲜于中之与合作者近年来发展了暴涨时空中的量子场论振幅计算，在此前工作中，已经完成了保持de Sitter最大对称性的费米子一圈图信号的初步解析计算。利用这些前期结果，本工作进一步研究了引入Majorana质量和CP破缺相位对圈图信号的影响。结果显示，在动量三角形的挤压极限（squeezed limit）下，由Majorana费米子传导的一圈图振荡信号与Dirac费米子传导的信号有完全不同的标度行为。此外，在加入CP破缺相位后，会出现频率不同的两组振荡信号的叠加【图2】。因此，在振荡信号中寻找这些特征，并结合其中的相位信息，就有可能对Majorana右手中微子的这些特性逐一进行测量。
该工作进一步研究了右手中微子信号的大小与可观测性。结果表明，在能够解释宇宙正反物质不对称的参数区间内，右手中微子有可能产生相当大的振荡信号，足以进入今后宇宙学观测实验的灵敏范围。【图3】今后包括大尺度结构巡天、21厘米断层扫描等宇宙学测量将有望对轻子生成这一重要的机制进行探测，从而有助于破解宇宙正反物质不对称的疑难。
图3: 右手中微子宇宙学对撞机信号的可观测参数空间。
该工作以《用宇宙学对撞机探测轻子生成》（Probing leptogenesis with the cosmological collider）为题发表于最近一期《物理评论快报》（Physical Review Letters） [1]。作者署名依高能物理惯例按姓氏字母排序，崔彦讴与鲜于中之为文章的共同通讯作者。该项工作得到了科技部重点研发计划、教育部粒子天体物理与宇宙学重点实验室开放基金、清华大学自主研发项目的支持。
相关文章：
[1] Yanou Cui, Zhong-Zhi Xianyu: “Probing Leptogenesis with the Cosmological Collider,” Phys. Rev. Lett. 129 (2022) 111301 [arXiv:2112.10793 [hep-ph]].
[2] Shiyun Lu, Yi Wang, Zhong-Zhi Xianyu: “A cosmological Higgs collider,” JHEP 2002(2020) 011 [arXiv:1907.07390 [hep-th]].
