在這個宇宙中，有一些規則從未被觀察到被打破。沒有什麼能比光速更快移動；當兩個量子相互作用時，能量總是被保存的；線性和角度動量永遠不能創建或破壞，等等。但是，即使我們從未見過這些規則中的某些規則，也一定在過去某個時候被打破了。

其中一個規則是物質和反物質之間的特定對稱性：創造或破壞物質粒子的每一次相互作用也會創造或摧毀同等數量的反物質對應物，我們通常認爲這些相互作用是反粒子。鑑於我們的宇宙幾乎完全由物質組成，幾乎沒有反物質——在我們的宇宙中沒有反物質恆星、星系或穩定的宇宙結構——顯然，這在過去在某些時候被侵犯了。但是，如何發生這一切是一個謎：物質/反物質不對稱的謎題仍然是物理學最大的公開問題之一。

此外，我們通常說"粒子"是指構成物質的東西，而"反粒子"是指組成反物質的東西，但事實並非如此。粒子並不總是物質，反粒子並不總是反物質。以下是關於我們宇宙的這種反直覺真理背後的科學。

考慮到我們在地球上發現的物質，您可能會認爲絕對100％是由物質組成的。這幾乎是正確的，因爲實際上我們的整個星球都是由質子、中子和電子組成的物質組成，而所有這些物質實際上都是物質粒子。質子和中子是複合粒子，由上下夸克組成，它們通過交換膠子形成原子核而結合在一起。這些原子核又將電子束縛在原子核上，因此每個原子的總電荷爲零，而電子則通過電磁力保持束縛：交換光子。

但是，原子核中的粒子有時每隔一段時間就會發生放射性衰變。一個典型的例子是β衰變：其中一箇中子會衰變成質子，同時還會發射電子和反電子中微子。如果我們查看參與此衰變過程的各種粒子和反粒子的性質，我們將瞭解到很多有關宇宙如何工作的知識。

我們從中子開始認識，中子具有以下特性：

它是電中性的，沒有淨電荷，它由三個夸克組成：兩個下夸克（每個帶電荷-）和一個上夸克（帶電荷+），它包含約939 MeV的能量，全部以其靜止質量的形式存在。質子，電子和反電子中微子衰減成的粒子也具有自己獨特的粒子特性。

質子的電荷爲+1，由一個下夸克和兩個上夸克組成，並且在其靜止質量中包含約938 MeV的能量。電子的電荷爲-1，是基本不可分割的粒子，並且在其靜止質量中包含約0.5 MeV的能量。反電子中微子不帶電荷，基本上不可分割，並且具有未知但非零的靜止質量，其能量價值不超過0.0000001 MeV。我們所有的強制性保護規則均完好無損。能量是守恆的，中子中的少量“額外”能量轉化爲產物顆粒中的動能。動量是守恆的，因爲產物粒子的動量總和始終等於中子的初始動量。但是，我們不僅要檢查我們從什麼開始，到最後得到什麼。我們想知道它是如何發生的。

要使衰變在量子理論中發生，必須有一個粒子來介導它。在描述它的理論中——弱相互作用的量子理論——負責的粒子是W玻色子，它作用於中子的一個下夸克。詳細考慮一下基本粒子在這裏發生了什麼。

中子中的一個下夸克發出一個（虛擬的）W玻色子，使其轉變爲一個上夸克。在交互的這一部分中，夸克的數量得以保留。

（虛擬）玻色子可以分解成許多不同的事物，但受能量守恆的限制：其最終產物的能量必須不超過中子與質子之間剩餘質量的差異。

因此，發生的主要途徑是衰減爲電子（帶有負電荷）和反電子中微子。在極少數情況下，您會得到所謂的輻射衰減，它會產生額外的光子。原則上，您可以使W玻色子衰變爲夸克-反夸克組合（例如下夸克和反上夸克），但這需要太多的能量：比中子衰變成質子時有更多的能量，再加上額外的產物。

現在，讓我們翻轉一下腳本：從物質到反物質。假設我們沒有中子衰變，而是有反中子衰變。反中子的性質與我們前面提到的中子非常相似，但有一些主要區別：

它是電中性的，沒有淨電荷，它由三個反夸克組成：兩個反下夸克（每個帶+電荷）和一個反上夸克（帶-電荷），它包含約939 MeV的能量，全部以其靜止質量的形式存在。從物質到反物質，我們所做的一切就是用反粒子對應物替換所有正在使用的粒子。它們的質量保持不變，其成分（“反”部分除外）保持不變，但是所有物體的電荷都發生了變化。即使中子和反中子都是電中性的，它們各自的組成也會翻轉。

順便說一下，這是可以測量的！即使是中性的，中子也具有磁矩：既需要自旋又需要電荷的東西。我們已經能夠測量其磁矩爲-1.91 Bohr磁子，同樣，反中子的磁矩爲+1.91 Bohr磁子。構成其內部的“帶電物質”必須與反物質正好相反。

當它衰變時，一個反下夸克發出一個W +玻色子，即W-玻色子的反物質對應物，從而將反下夸克轉換爲一個反上夸克。和以前一樣，W +玻色子是虛擬的——意味着它是不可觀察的，因爲沒有足夠的可用質量/能量來創建“真實”的玻色子——但是它的衰變產物是可見的：正電子和電子中微子。（是的，您也可以產生輻射作用，在很小的時間內，一個或多個光子會加入這些衰變產物。）一切都從以前開始翻轉，每個物質粒子都被其反物質對應物以及每個反物質粒子所取代（如反電子中微子）被其對應的物質代替。

當您想到地球上的一切時，幾乎所有事物都是由物質組成的：質子、中子和電子。這些中子中的一小部分正在衰減，這意味着我們也有W玻色子，其他質子和電子（和光子），以及一些反電子中微子。我們所知道的一切都通過標準模型進行了很好的描述，只需要我們所知道的粒子和反粒子來描述它們。

如果我們將地球換成我們自己想象的反物質版本，即某種“反地球”，我們就可以將每個粒子換成對應的反粒子，代替質子和中子（由夸克和膠子製成），我們將有反質子和反中子（由反夸克製成，但仍然是8個膠子）。我們不會讓中子通過W -玻色子衰變，而是讓中子通過W +玻色子衰變，而不是產生電子和反電子中微子（有時是光子），而是產生正電子和電子中微子（有時是光子）。

構成我們宇宙中正常物質的粒子是夸克和輕子：夸克組成質子和中子（通常是重子），而輕子包括電子及其較重的表親，以及三個常規中微子 。另一方面，存在構成我們宇宙中反物質的反粒子：反夸克和反斜角。通過涉及許多利用W-和W +玻色子的途徑的自然衰變，正電子和反電子中微子的形式會出現一點反物質。即使我們設法以某種方式“關閉”外部宇宙，包括太陽、宇宙射線以及任何其他粒子或能量源，這種情況仍將持續。

但是其他粒子和反粒子呢？當我們談論物質和反物質時，我們只談論的是宇宙中的費米子：夸克和輕子。但是也有玻色子：

介導電磁力的1個光子介導強大核力量的8個膠子介導弱力和弱衰變的3個弱玻色子W +，W-和Z0，和希格斯玻色子，與其他玻色子相比，它是獨一無二的。其中一些粒子是它們自己的反粒子，例如光子，Z0和希格斯粒子。 W +是W-的反粒子對應物，您可以配對三對膠子，因爲它們顯然是彼此的反粒子對應物。（關於第四對膠子，膠子有點複雜。）

如果您將一個粒子與它的反粒子對應物碰撞，它們就會消滅，並且可以產生任何能量允許的東西，只要所有量子守恆定律——能量、動量、角動量、電荷、重子數、輕子數、輕子族數等等——都遵守。這包括作爲其自身粒子的粒子，與具有不同反粒子對應物的粒子一樣。

值得注意的是，這裏出現了“物質”與“反物質”的概念。如果重子或輕子數爲正，就很重要。如果重子或輕子數爲負，則表示反物質。而且，如果您沒有重子或輕子數...那麼，您就無關緊要了！即使存在兩種類型的粒子-費米子（包括夸克和輕子）和玻色子（其中包括其他所有東西），也只有我們宇宙中的費米子纔可能起作用（對於普通費米子而言）或反物質（對於反費米子而言）。

（請注意，如果中微子被證明是馬約拉納費米子，則需要對此進行修改，因爲馬約拉納費米子確實可以是它們自己的反粒子。）

這意味着複合粒子，例如由夸克-反夸克組合而成的介子或其他介子，既不是物質也不是發物質，它們兩者數量相等。正電子素是電子和正電子結合在一起的，它既不是物質也不是反物質。如果存在存在於大統一理論中的輕夸克或超重X或Y玻色子，它們將成爲具有重子和輕子數的假設粒子的例子；它們既有物質版本又有反物質版本。這意味着，如果超對稱性是正確的，那麼我們就可以擁有像光子的超對稱對應物（光子）這樣的費米子，它們既無關緊要又不重要。可能，我們甚至可能擁有超對稱的玻色子，例如Squarks，其粒子和反粒子版本確實是物質和反物質。

這麼簡單的想法就是認爲我們的宇宙中存在粒子，這就是問題所在，而這些粒子的反粒子對應物將構成反物質。這在一定程度上是正確的，好像我們將存在於宇宙中的粒子切碎了一樣，其中大多數將由我們認爲重要的組成粒子組成。同樣，如果我們將所有這些粒子替換爲它們的反粒子對應物，那麼我們就會得出我們認爲是反物質的東西。它適用於每個夸克（每個重子號+），每個輕子（每個輕子號+1），每個反夸克（每個重子號-）和每個前浮子（每個輕子號-1）。

但是，宇宙中的其他所有物體——既不攜帶輕子，也不攜帶重子的玻色子，以及所有淨重子和輕子數爲零的複合粒子——都存在於一個既不是物質也不是反物質的模糊不清的區域。在這種情況下，將一種類型指定爲“粒子”而另一種類型指定爲“反粒子”是不公平的。當然，W +和W-可能會像所有粒子-反粒子對一樣消滅，但是沒有一個比任何其他玻色子更能聲稱自己爲“物質”或“反物質”，也就是說，它們無權聲稱那個狀態。問“哪個是物質，哪個是反物質”毫無意義；它們只是彼此的反粒子，兩者都不具有物質或反物質的特性。