La leptogenesi in cosmologia indica i processi fisici ipotetici che diedero luogo a un'asimmetria tra leptoni e antileptoni nell'universo primordiale (prima dell'inflazione cosmica), dando come risultato l'attuale predominio dei leptoni sugli antileptoni. Nel Modello Standard attualmente accettato, il numero leptonico è quasi conservato a temperature inferiori alla scala dei TeV, anche se i processi di tunneling (come gli Istantoni BPST; soluzioni non perturbative delle equazioni di campo di Yang–Mills) possono modificare questo numero; ed a temperature elevate esso può cambiare attraverso le interazioni con gli sfaleroni. In entrambi i casi, questi processi sono correlati alla forza nucleare debole ed sono un esempio di anomalia chirale.
I processi di leptogenesi avrebbero ipoteticamente creato i leptoni nell'universo primordiale. In questi processi anche il numero barionico non è conservato, quindi i barioni avrebbero dovuto essere creati insieme ai leptoni. Si suppone infatti che la non conservazione del numero barionico sia avvenuta nell'universo primordiale ed è nota come bariogenesi. Tuttavia, in alcuni modelli teorici, si suggerisce che la leptogenesi sia avvenuta anche prima della bariogenesi; pertanto il termine leptogenesi viene spesso utilizzato per indicare la non conservazione dei leptoni, senza una corrispondente non conservazione dei barioni. Nel Modello Standard, la differenza tra il numero leptonico e il numero barionico è conservata con precisione, per cui la leptogenesi senza bariogenesi è impossibile. La leptogenesi quindi implica estensioni al Modello Standard.
Le asimmetrie leptoniche e barioniche influenzarono la nucleosintesi de nuclei atomici leggeri, durante i primi minuti di vita dell'universo, ma comunque avvenuta più tardi ed è molto meglio compresa. Una buona sintesi degli elementi leggeri richiede di avere uno squilibrio nel numero di barioni e rispetto a quello di antibarioni pari a una parte su un miliardo. Un'asimmetria nel numero di leptoni e di antileptoni non è obbligatoria per la nucleosintesi del Big Bang. Tuttavia, la conservazione della carica suggerisce che qualsiasi asimmetria tra leptoni carichi e antileptoni carichi (elettroni, muoni e particelle tau) dovrebbe essere dello stesso ordine di grandezza dell'asimmetria barionica. Le osservazioni sull'abbondanza primordiale di elio-4 pongono un limite superiore a qualsiasi asimmetria leptonica riguardante i neutrini, ed è molto stringente.
Le teorie della leptogenesi impiegano sotto discipline della fisica come la teoria quantistica dei campi e la fisica statistica per descrivere tali possibili scenari. La bariogenesi, ovvero la generazione di un'asimmetria barione-antibarione, e la leptogenesi possono essere collegate da processi che convertono il numero barionico nel il numero leptonico e viceversa. L'anomalia quantistica (non perturbativa) di Adler–Bell–Jackiw può dare origine agli sfaleroni, che possono convertire i leptoni in barioni e viceversa. Pertanto, in linea di principio, il Modello Standard è in grado di fornire un meccanismo per creare barioni e leptoni.
Una semplice modifica al Modello Standard in grado di realizzare le condizioni di Sakharov (violazione del numero barionico, violazioni della simmetria C e CP, asimmetria dell'equilibrio termico) è quella suggerita da M. Fukugita e T. Yanagida. Il Modello Standard viene esteso aggiungendo neutrini destrorsi (che dovrebbero essere fermioni di Majorana e non fermioni di dirac) che consentirebbero l'implementazione del meccanismo "see-saw" e fornendo massa ai neutrini. Il modello esteso è in grado di generare spontaneamente leptoni dai decadimenti dei neutrini destrorsi. Infine, gli sfaleroni sono in grado di convertire la spontanea generazione dell'asimmetria leptonica nell'asimmetria barionica che noi osserviamo. A causa della sua popolarità, l'intero processo è talvolta chiamato semplicemente leptogenesi.
