Барио́нная асимме́трия Вселе́нной, наличие во Вселенной вещества и отсутствие антивещества. Вещество подразумевается состоящим из барионов, т. е. протонов и нейтронов, каждый из которых состоит из трёх кварков. Антивещество подразумевается состоящим, соответственно, из антибарионов, т. е. антипротонов и антинейтронов, каждый из которых состоит из трёх антикварков.

Существование барионной асимметрии во Вселенной – это очевидный наблюдаемый факт: во Вселенной не наблюдается проявлений взаимодействия вещества с антивеществом в астрономически больших областях. В малом количестве антивещество наблюдается только в космических лучах, где оно рождается при взаимодействии частиц высоких энергий; гипотетически оно может быть компактно собрано в чёрных дырах или антинейтронных звёздах (аналогов нейтронных звёзд, состоящих из антинейтронов). Различие в физических свойствах вещества и антивещества можно продемонстрировать следующим примером (Рубаков. 2011). Существующий в Стандартной модели физики элементарных частиц нейтральный К-мезон может распадаться на 3 частицы: электрон (или позитрон), заряженный пи-мезон, антинейтрино (или нейтрино). Позитрон в таких реакциях рождается чаще, и он не содержится в атомах различных химических элементов.

В ранней Вселенной рождались па́ры частиц – кварк и антикварк – которые при расширении и остывании Вселенной аннигилировали между собой, порождая электромагнитное излучение (фотоны). Поэтому, если бы вещества и антивещества изначально было поровну, то Вселенная содержала бы в основном только излучение, а вещество было бы представлено очень разреженным газом из протонов и антипротонов. Важно отметить, что в экспериментах на ускорителях (например, Большом адронном коллайдере) кварки и антикварки всегда рождаются в равных количествах.

Количественной мерой барионной асимметрии Вселенной является величина $\delta$:

$$\delta=\frac{n_b-n_{\~b}}{n_\gamma}.$$Здесь $n_b$ – концентрация барионов, $n_{\~b}$ – концентрация антибарионов, $n_\gamma$ – концентрация фотонов реликтового излучения. Физический смысл величины $\delta$ заключается в том, что при энергиях порядка 1 ГэВ (время после Большого взрыва $t=10^{-6}\ с$) она по порядку величины совпадала с относительным избытком барионов над антибарионами. Это так, потому что в ту эпоху вещество и излучение находились в состоянии термодинамического равновесия и количество кварк-антикварковых пар и фотонов было примерно одинаково. После аннигиляции кварк-антикварковых пар число оставшегося вещества в единице сопутствующего объёма расширяющейся Вселенной не менялось. Из-за адиабатичности расширения Вселенной число фотонов в среднем также менялось мало. Концентрация реликтовых фотонов, $n_\gamma=410\ см^{-3},$ известна с большой точностью из наблюдений, поскольку реликтовые фотоны обладают планковским спектром, соответствующим температуре 2,73 К. Плотность барионов определяется с бо́льшей неопределённостью из данных по анизотропии реликтового излучения и сравнения теории первичного нуклеосинтеза с наблюдаемой распространённостью лёгких химических элементов. Согласно наиболее точным современным данным, величина барионной асимметрии Вселенной равна $\delta=6,\!1\cdot10^{-10}.$ Таким образом, на 1 барион приходится около 10⁹ реликтовых фотонов.

Фундаментальная и нерешённая (по состоянию на 2022) проблема заключается в объяснении изначального небольшого избытка вещества над антивеществом. Согласно идее А. Д. Сахарова, имеются 3 необходимых условия (условия Сахарова) для появления барионной асимметрии во Вселенной:

1. Нарушение С-инвариантности (наличие асимметрии в свойствах частиц и античастиц на микроскопическом уровне) и нарушение CP-инвариантности (асимметрия физических законов при одновременной замене «левого» на «правое» и замене всех частиц на античастицы). Это условие Сахарова выполняется, что следует из приведённого выше примера с К-мезоном.

2. Несохранение барионного (кваркового) числа. Барионное число – это величина, определяемая количеством барионов в системе. Сохранение барионного числа означает запрет на изменение разности числа кварков и числа антикварков в системе, кварк не может образоваться без антикварка и не может распасться. Если изначально общее число барионов было в точности равно числу антибарионов, а потом барионов стало больше, то это означает, что существует процесс, в результате которого барионное число не сохраняется. Барионное число сохраняется в электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях. В случае его несохранения наблюдался бы либо распад протона, самой лёгкой частицы, имеющей барионное число (экспериментальное нижнее ограничение на время жизни протона составляет 10³³ лет), либо наблюдались бы осцилляции нейтрон – антинейтрон (гипотетические превращения нейтрона в антинейтрон и обратно, что предсказывается моделью В. А. Кузьмина, 1970). Это условие Сахарова может быть выполнено в гипотетической теории Великого объединения. Ещё одна возможность несохранения барионного числа – более низкоэнергетические (100 ГэВ) по сравнению с энергиями теории Великого объединения (10¹⁵ ГэВ) процессы слабых (с участием нейтрино) и электромагнитных взаимодействий (В. А. Кузьмин, В. А. Рубаков, М. Е. Шапошников, 1985).

3. Нарушение термодинамического равновесия в ранней Вселенной (что, как предполагается, имеет место). Если это условие Сахарова выполняется, то оно означает, что две вселенные, время в которых течёт в противоположных направлениях, различны. Существует фундаментальная теорема (CPT-теорема), доказанная в рамках квантовой теории при самых общих предположениях и гласящая, что для всех физических процессов имеет место CPT-инвариантность: вселенная, получающаяся при одновременной замене «левого» на «правое», замене всех частиц на античастицы и замене течения времени на противоположное, совпадёт с первоначальной.

Таким образом, вопрос о причинах барионной асимметрии Вселенной остаётся открытым. Гипотетически, в ранней Вселенной при сверхвысоких энергиях протекали процессы с нарушением барионного числа, что породило в современной Вселенной имеющуюся асимметрию между веществом и антивеществом. Если допустить возможность нарушения CPT-инвариантности, то барионная асимметрия Вселенной возможна и без нарушения термодинамического равновесия в ранней Вселенной.