在这个宇宙中，有一些规则从未被观察到被打破。没有什么能比光速更快移动；当两个量子相互作用时，能量总是被保存的；线性和角度动量永远不能创建或破坏，等等。但是，即使我们从未见过这些规则中的某些规则，也一定在过去某个时候被打破了。

其中一个规则是物质和反物质之间的特定对称性：创造或破坏物质粒子的每一次相互作用也会创造或摧毁同等数量的反物质对应物，我们通常认为这些相互作用是反粒子。鉴于我们的宇宙几乎完全由物质组成，几乎没有反物质——在我们的宇宙中没有反物质恒星、星系或稳定的宇宙结构——显然，这在过去在某些时候被侵犯了。但是，如何发生这一切是一个谜：物质/反物质不对称的谜题仍然是物理学最大的公开问题之一。

此外，我们通常说"粒子"是指构成物质的东西，而"反粒子"是指组成反物质的东西，但事实并非如此。粒子并不总是物质，反粒子并不总是反物质。以下是关于我们宇宙的这种反直觉真理背后的科学。

考虑到我们在地球上发现的物质，您可能会认为绝对100％是由物质组成的。这几乎是正确的，因为实际上我们的整个星球都是由质子、中子和电子组成的物质组成，而所有这些物质实际上都是物质粒子。质子和中子是复合粒子，由上下夸克组成，它们通过交换胶子形成原子核而结合在一起。这些原子核又将电子束缚在原子核上，因此每个原子的总电荷为零，而电子则通过电磁力保持束缚：交换光子。

但是，原子核中的粒子有时每隔一段时间就会发生放射性衰变。一个典型的例子是β衰变：其中一个中子会衰变成质子，同时还会发射电子和反电子中微子。如果我们查看参与此衰变过程的各种粒子和反粒子的性质，我们将了解到很多有关宇宙如何工作的知识。

我们从中子开始认识，中子具有以下特性：

它是电中性的，没有净电荷，它由三个夸克组成：两个下夸克（每个带电荷-）和一个上夸克（带电荷+），它包含约939 MeV的能量，全部以其静止质量的形式存在。质子，电子和反电子中微子衰减成的粒子也具有自己独特的粒子特性。

质子的电荷为+1，由一个下夸克和两个上夸克组成，并且在其静止质量中包含约938 MeV的能量。电子的电荷为-1，是基本不可分割的粒子，并且在其静止质量中包含约0.5 MeV的能量。反电子中微子不带电荷，基本上不可分割，并且具有未知但非零的静止质量，其能量价值不超过0.0000001 MeV。我们所有的强制性保护规则均完好无损。能量是守恒的，中子中的少量“额外”能量转化为产物颗粒中的动能。动量是守恒的，因为产物粒子的动量总和始终等于中子的初始动量。但是，我们不仅要检查我们从什么开始，到最后得到什么。我们想知道它是如何发生的。

要使衰变在量子理论中发生，必须有一个粒子来介导它。在描述它的理论中——弱相互作用的量子理论——负责的粒子是W玻色子，它作用于中子的一个下夸克。详细考虑一下基本粒子在这里发生了什么。

中子中的一个下夸克发出一个（虚拟的）W玻色子，使其转变为一个上夸克。在交互的这一部分中，夸克的数量得以保留。

（虚拟）玻色子可以分解成许多不同的事物，但受能量守恒的限制：其最终产物的能量必须不超过中子与质子之间剩余质量的差异。

因此，发生的主要途径是衰减为电子（带有负电荷）和反电子中微子。在极少数情况下，您会得到所谓的辐射衰减，它会产生额外的光子。原则上，您可以使W玻色子衰变为夸克-反夸克组合（例如下夸克和反上夸克），但这需要太多的能量：比中子衰变成质子时有更多的能量，再加上额外的产物。

现在，让我们翻转一下脚本：从物质到反物质。假设我们没有中子衰变，而是有反中子衰变。反中子的性质与我们前面提到的中子非常相似，但有一些主要区别：

它是电中性的，没有净电荷，它由三个反夸克组成：两个反下夸克（每个带+电荷）和一个反上夸克（带-电荷），它包含约939 MeV的能量，全部以其静止质量的形式存在。从物质到反物质，我们所做的一切就是用反粒子对应物替换所有正在使用的粒子。它们的质量保持不变，其成分（“反”部分除外）保持不变，但是所有物体的电荷都发生了变化。即使中子和反中子都是电中性的，它们各自的组成也会翻转。

顺便说一下，这是可以测量的！即使是中性的，中子也具有磁矩：既需要自旋又需要电荷的东西。我们已经能够测量其磁矩为-1.91 Bohr磁子，同样，反中子的磁矩为+1.91 Bohr磁子。构成其内部的“带电物质”必须与反物质正好相反。

当它衰变时，一个反下夸克发出一个W +玻色子，即W-玻色子的反物质对应物，从而将反下夸克转换为一个反上夸克。和以前一样，W +玻色子是虚拟的——意味着它是不可观察的，因为没有足够的可用质量/能量来创建“真实”的玻色子——但是它的衰变产物是可见的：正电子和电子中微子。（是的，您也可以产生辐射作用，在很小的时间内，一个或多个光子会加入这些衰变产物。）一切都从以前开始翻转，每个物质粒子都被其反物质对应物以及每个反物质粒子所取代（如反电子中微子）被其对应的物质代替。

当您想到地球上的一切时，几乎所有事物都是由物质组成的：质子、中子和电子。这些中子中的一小部分正在衰减，这意味着我们也有W玻色子，其他质子和电子（和光子），以及一些反电子中微子。我们所知道的一切都通过标准模型进行了很好的描述，只需要我们所知道的粒子和反粒子来描述它们。

如果我们将地球换成我们自己想象的反物质版本，即某种“反地球”，我们就可以将每个粒子换成对应的反粒子，代替质子和中子（由夸克和胶子制成），我们将有反质子和反中子（由反夸克制成，但仍然是8个胶子）。我们不会让中子通过W -玻色子衰变，而是让中子通过W +玻色子衰变，而不是产生电子和反电子中微子（有时是光子），而是产生正电子和电子中微子（有时是光子）。

构成我们宇宙中正常物质的粒子是夸克和轻子：夸克组成质子和中子（通常是重子），而轻子包括电子及其较重的表亲，以及三个常规中微子 。另一方面，存在构成我们宇宙中反物质的反粒子：反夸克和反斜角。通过涉及许多利用W-和W +玻色子的途径的自然衰变，正电子和反电子中微子的形式会出现一点反物质。即使我们设法以某种方式“关闭”外部宇宙，包括太阳、宇宙射线以及任何其他粒子或能量源，这种情况仍将持续。

但是其他粒子和反粒子呢？当我们谈论物质和反物质时，我们只谈论的是宇宙中的费米子：夸克和轻子。但是也有玻色子：

介导电磁力的1个光子介导强大核力量的8个胶子介导弱力和弱衰变的3个弱玻色子W +，W-和Z0，和希格斯玻色子，与其他玻色子相比，它是独一无二的。其中一些粒子是它们自己的反粒子，例如光子，Z0和希格斯粒子。 W +是W-的反粒子对应物，您可以配对三对胶子，因为它们显然是彼此的反粒子对应物。（关于第四对胶子，胶子有点复杂。）

如果您将一个粒子与它的反粒子对应物碰撞，它们就会消灭，并且可以产生任何能量允许的东西，只要所有量子守恒定律——能量、动量、角动量、电荷、重子数、轻子数、轻子族数等等——都遵守。这包括作为其自身粒子的粒子，与具有不同反粒子对应物的粒子一样。

值得注意的是，这里出现了“物质”与“反物质”的概念。如果重子或轻子数为正，就很重要。如果重子或轻子数为负，则表示反物质。而且，如果您没有重子或轻子数...那么，您就无关紧要了！即使存在两种类型的粒子-费米子（包括夸克和轻子）和玻色子（其中包括其他所有东西），也只有我们宇宙中的费米子才可能起作用（对于普通费米子而言）或反物质（对于反费米子而言）。

（请注意，如果中微子被证明是马约拉纳费米子，则需要对此进行修改，因为马约拉纳费米子确实可以是它们自己的反粒子。）

这意味着复合粒子，例如由夸克-反夸克组合而成的介子或其他介子，既不是物质也不是发物质，它们两者数量相等。正电子素是电子和正电子结合在一起的，它既不是物质也不是反物质。如果存在存在于大统一理论中的轻夸克或超重X或Y玻色子，它们将成为具有重子和轻子数的假设粒子的例子；它们既有物质版本又有反物质版本。这意味着，如果超对称性是正确的，那么我们就可以拥有像光子的超对称对应物（光子）这样的费米子，它们既无关紧要又不重要。可能，我们甚至可能拥有超对称的玻色子，例如Squarks，其粒子和反粒子版本确实是物质和反物质。

这么简单的想法就是认为我们的宇宙中存在粒子，这就是问题所在，而这些粒子的反粒子对应物将构成反物质。这在一定程度上是正确的，好像我们将存在于宇宙中的粒子切碎了一样，其中大多数将由我们认为重要的组成粒子组成。同样，如果我们将所有这些粒子替换为它们的反粒子对应物，那么我们就会得出我们认为是反物质的东西。它适用于每个夸克（每个重子号+），每个轻子（每个轻子号+1），每个反夸克（每个重子号-）和每个前浮子（每个轻子号-1）。

但是，宇宙中的其他所有物体——既不携带轻子，也不携带重子的玻色子，以及所有净重子和轻子数为零的复合粒子——都存在于一个既不是物质也不是反物质的模糊不清的区域。在这种情况下，将一种类型指定为“粒子”而另一种类型指定为“反粒子”是不公平的。当然，W +和W-可能会像所有粒子-反粒子对一样消灭，但是没有一个比任何其他玻色子更能声称自己为“物质”或“反物质”，也就是说，它们无权声称那个状态。问“哪个是物质，哪个是反物质”毫无意义；它们只是彼此的反粒子，两者都不具有物质或反物质的特性。