强CP问题的理论来源和从数学中推测的假设粒子

考虑到弱力当中的CP对称性破缺，我们很自然地想到这种情况是否也发生在强力中。我们对强力的最佳理论描述是量子色动力学(QCD)，用QCD导出的强力运动方程实际上允许违反CP对称性，但我们从未观察到这样的行为。举个例子，如果强力违反了CP对称性，则中子应该表现出一个电场——就像正电荷和负电荷形成的偶极子电场，我们非常精确的测量并没有发现这样的场。这种理论与实验之间的差异被称为强CP问题，目前尚未解决。

对强CP问题提出的解决方案之一是轴子。但在了解这一方案之前，我们需要了解为什么量子色动力学会预测CP违反。

强CP问题的理论来源

那为什么我们还没探测到呢？一种可能的解释是，这个θ值刚好等于零，这将导致这个新的项消失，但是没有充足的理由让θ等于零。还有一种解决方案是，如果夸克是无质量的，那么CP对称性就会自动守恒。然而，我们知道没有一个夸克是无质量的，因此这种方案并不被接受。1977年，罗伯托·佩塞和海伦·奎因提出了另一个解决方案：θ不是一个常数，它可以随着空间和时间的变化而变化。换句话说，θ现在成为了一个新型动态场，然后θ将自然下降到最低状态零，因为这会降低宇宙的整体能量配置。

从数学推测的粒子

那么，我们如何才能检测到这样一个难以捉摸的粒子呢？即使轴子没有电荷，它仍然可以和磁场相互作用，并通过强力产生光子。它们会通过产生一对虚夸克然后衰变为光子来做到这一点，这就是普里马科夫效应。也就是说，在强磁场存在的情况下，这看起来就像轴子变成了光子。

光子也可以以类似的方式产生轴子，这就给了我们实验思路。一束光穿过强磁场照射到一个不透明的金属墙上，一般情况下，墙后是探测不到光子的存在。但是，有一些光子变成了轴子并穿过了墙壁，然后又变成了光子，因此我们可以在墙后检测到光子。在理论上是如此，但到目前为止，实验还未以这种方式证实轴子的存在。科学家想到的其中一个问题是我们可能无法制造足够强的磁场，所以他们转向太阳、中子星等自然存在的强磁场，但到目前为止也一无所获。