本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。
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，这是一个有点陌生的概念。——爱因斯坦
今天我们将前往热大爆炸的早期阶段，一个粒子/反粒子的湮灭时期。看下宇宙诞生后我们目前已知的所有粒子是如何形成的？为什么有些粒子消失了，而有些粒子却被宇宙以一定的比例保留了下来？所有的高能故事都发生在宇宙诞生后的3分钟！
让我们从今天的宇宙开始，按下想象中的“倒带”按钮，穿越回到早期的宇宙。
中性原子时代
今天的宇宙中充满了恒星，它们结合在一起形成巨大的星系结构，并且在更大的尺度上形成星系群、星系团，以及相互交错的细丝结构。仅就我们所能观察到的部分而言，至少有数千亿个星系，散布在几百亿光年的范围内。
宇宙从一个密度更大、更紧凑、更均匀和更热的状态发展而来，但是宇宙如何变成今天这个样子的？今天，一切事物之间都相距甚远，这是因为宇宙一直在膨胀。
如果我们往回推断，今天相对不重要的事情之一（宇宙的温度，微波辐射只比绝对零度高2.7 K）会变得越来越重要。在漫反射密度和低能量下，这些剩余的光子不会有太大的作用，如果你家里还在使用兔耳天线的电视，这些辐射光子会在你的电视第三频道中产生少量的“雪花像素”。
大约1％的“雪花”来自宇宙微波背景。
当宇宙更年轻、体积更小的时候，这些光子不仅密度更大（因为宇宙的体积更小），而且温度更高（因为光子的波长决定了它的能量）。如果我们一直往回推，微波辐射会变成红外线，温度从绝对零度以上的个位数上升到绝对零度以上的两位数，上升到绝对零度以上的三位数，最终超过水的沸点，甚至最后达到与恒星相当的温度。最终，稳定原子的电子会被光子“踢出”原子，发生电离，所以这时的宇宙即使是中性原子也无法形成。
夸克胶子等离子体
再往前追溯，我们就会到达一个原子核都无法形成的时代，因为高能光子会把它们炸成一个个独立的质子和中子。我们甚至可以回到非常早期的时代，那时的宇宙诞生还不到一秒，光子的能量非常高，两个光子会自发的产生等量的物质和反物质对。在宇宙膨胀和冷却到这一阶段之前，宇宙不过是一个由物质、反物质和辐射组成的原始“汤”，在那里，物质和反物质的自然湮灭转化为纯粹的能量，与物质和反物质从纯粹的能量中自然产生相平衡。爱因斯坦最著名的方程，E = mc ^ 2在这时是双向平衡的。
光子能量越高，自发产生的粒子对就越重。如果我们回到足够早的时候，宇宙的平均能量足够高，就可以产生一对顶-反顶夸克（已知最重的基本粒子），我们会发现，那个时候的光子远远少于今天的光子！
为什么呢？
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！
虽然这时的宇宙有一定数量的光子，但想一下，在标准模型中的每一个基本粒子，包括大质量粒子和无质量粒子。所有的6个夸克和反夸克，每一个都有三种不同的颜色，3个带电的轻子和3个中微子，以及它们的反粒子对应物，8个胶子，3个弱玻色子，光子和希格斯玻色子，它们都有各自的自旋构型。
这种能量不仅仅是光子，而是均匀地分布在了所有这些粒子中。(根据麦克斯韦-玻尔兹曼能量分布和适当的统计：费米-狄拉克统计为费米子，玻色-爱因斯坦统计为玻色子）当能量足够高，温度足够高时，粒子/反粒子湮灭仍然不断发生，但它们的发生速率与粒子/反粒子的产生的速率相同。
然而，随着宇宙的膨胀和冷却，湮灭率下降了一些，因为每个粒子更难找到它们的反粒子发生湮灭，但正反粒子对的产生率会大幅下降，因为平均能量下降到粒子/反粒子创造阈值以下，产生率就会开始以指数级下降。
任何不稳定粒子的丰度都会随着其周围环境的温度/能量降低到质量创造阈值以下而下降。
毫无疑问，在宇宙高能时刻产生的几乎所有的粒子都不稳定，所有已知类型的粒子和反粒子此刻大量存在于宇宙中。所以当宇宙膨胀和冷却时会发生什么呢？（按质量顺序）
顶夸克/反顶夸克对的产生停止；剩余的则湮灭或衰变。希格斯/希格斯粒子对的产生停止；其余的则湮灭或衰变。这（大致上）与电弱对称的破坏是一致的。Z_0玻色子自发产生停止；剩余的（大部分）衰变。W+/W-玻色子停止产生；剩下的（大部分）衰变。底夸克/反底夸克，τ子/反τ子，然后粲夸克/反粲夸克对停止产生；剩下的要么湮灭，要么衰变。所有这些情况下，质量较高粒子的湮灭（或衰变）会加热剩下的所有其他物质。然后特别有趣、也特别重要的事情发生了：在宇宙冷却到下一个临界点的时候（停止奇夸克/反奇夸克的产生），开始从一个夸克/胶子等离子体变成了由单个重子（三个夸克的组合）、反重子（三个反夸克的组合）和介子（夸克和反夸克的组合）的组合。这就是“夸克禁闭”首次发生的地方。
已知的所有粒子是如何形成的？为什么有些粒子消失了，而有些粒子却被宇宙以一定的比例保留了下来？
随后宇宙冷却到临界点，发生以下的湮灭/衰变：（按顺序）
所有的奇夸克/反奇夸克都会衰变/湮灭，所有不稳定的重子、反重子和介子（中子、反中子和带电荷的介子除外）都会衰变和湮灭，中子/反中子和质子/反质子湮灭发生后，留下了少量过剩的质子和中子，它们代表了我们今天所拥有的物质/反物质的不对称性，最后，带电的π介子停止产生，湮灭/衰变，然后μ子/反μ子的产生停止，湮灭/衰变。现在，我们在宇宙中只剩下少量剩余的质子和中子，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。以及我们认为与其他粒子不耦合的暗物质（其一直存在）。
紧随其后你可能会认为电子/正电子会发生湮灭，但首先发生的是另外两件事。
上图：质子和中子在玩一个你来我往的游戏：质子试图与电子结合形成中子和中微子，而中子和中微子试图走另一条路，产生质子和电子。(也可以让质子和反中微子结合起来形成中子和正电子，以及相反的反应。）在几毫秒的时间内（这在瞬息万变的早期宇宙中确实是相当长的一段时间）这些反应以相同的速度进行。但是随着能量的下降和温度的降低，质子和中子之间微小的质量差开始起作用了，从中子中产生质子的反应比从质子中产生中子的反应更容易进行。到宇宙诞生一秒钟左右的时候，质子与中子的比例就从50/50变成了接近85/15的比例，宇宙更倾向于质子。也可以这样理解，质子能量更低，更有利于形成，储存能量。
特别注意下左上方，那里质子和中子的数量相等，但由于中子到质子反应的强度和质子到中子反应的强度不同，质子开始主导中子。
然后，宇宙再度膨胀冷却，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/中子相互转换的相互作用）被冻结了。这意味着中微子和反中微子的相互作用速率、能量和横截面变得太低，已经无法参与宇宙中发生的任何事情了。
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相应的能量份额。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的游戏了。直到被我们人类发现，并称其为幽灵粒子。
所以当最后的湮灭阶段发生时，当宇宙冷却到不能再产生电子/正电子对，它们就会湮灭（留下足够的电子来平衡质子的电荷，宇宙呈电中性），把所有的能量都转化为了光子，而没有转化成中微子和反中微子。
这就是为什么宇宙微波背景（大爆炸遗留下来的光子的背景）被测量到的温度是2.725 K，而宇宙中微子背景（也就是必须遗留下来的中微子的背景）预计只有1.95 K左右。
随后由于中子不稳定，继续发生衰变为质子、电子和中微子，这也是为什么宇宙诞生后经过3分钟的变化剩余中子的一小部分发生衰变，产生了（大约）87.6/12.4的质子、中子比例。这个阶段以后，最后光子已经冷却到宇宙足以通过核合成形成第一个重元素。这就是为什么我们在宇宙大爆炸后不久就产生了最初的氢/氦比例：因为在早期宇宙中所有这些粒子所扮演的特殊角色。
这就是我们所知道的宇宙中所有已知粒子的最好版本，以及它们在热大爆炸的最初阶段的表现，一直到被冻结、湮灭和衰变。
