轴子

轴子 (/ˈæksiɒn/) 是 1977 年 Peccei-Quinn 理论提出的一种假想基本粒子，用于解决量子色动力学 (QCD) 中的强 CP 问题。 如果轴子存在并且在特定范围内具有低质量，那么它们作为冷暗物质的可能成分会引起人们的兴趣。

正如 Gerard 't Hooft 所示，标准模型 QCD 的强相互作用具有非平凡的真空结构，原则上允许违反电荷共轭和宇称的组合对称性，统称为 CP。 与弱相互作用产生的效应一起，有效周期性强 CP 违反项 Θ 显示为标准模型输入——其值未由理论预测，但必须测量。 然而，源自 QCD 的大 CP 破坏相互作用会引起中子的大电偶极矩 (EDM)。 当前未观察到的 EDM 的实验限制意味着 QCD 的 CP 破坏必须非常小，因此 Θ 本身必须非常小。 由于 Θ 可以具有 0 到 2π 之间的任何值，这对标准模型提出了自然性问题。 为什么这个参数会发现自己如此接近于零？ （或者，为什么 QCD 发现自己保持 CP ？）这个问题构成了所谓的强 CP 问题。

1977 年，Roberto Peccei 和 Helen Quinn 提出了一个更优雅的解决强 CP 问题的方法，即 Peccei-Quinn 机制。 这个想法是为了有效地将 Θ 推广到一个领域。 这是通过添加一个自发破坏的新全局对称性（称为 Peccei–Quinn (PQ) 对称性）来实现的。 这导致了一个新粒子，如 Frank Wilczek 和 Steven Weinberg 独立展示的那样，它填补了 Θ 的角色，自然地将 CP 违反参数放宽为零。 Wilczek 将这种新的假设粒子命名为轴子，因为它可以解决一个问题，而 Weinberg 则将其称为 higglet。 温伯格后来同意采用威尔切克的名字来命名这个粒子。 因为它的质量不为零，所以轴子是伪南部-戈德斯通玻色子。

QCD 效应产生有效的周期性势能，轴子场在其中移动。 轴子场围绕有效势的最小值的振荡，即所谓的未对准机制，产生了冷轴子的宇宙学种群，其丰度取决于轴子的质量。 质量超过电子质量 (5 µeV/c²) 10−11 倍的轴子可以解释暗物质，因此既是暗物质候选者又是强 CP 问题的解决方案。 如果膨胀发生在低尺度并持续足够长的时间，则轴子质量可以低至 1 peV/c²。

轴子场开始演化有两种不同的情况，具体取决于以下两个条件：

从广义上讲，会发生以下两个小节中概述的两种可能情况之一：

如果 (a) 和 (b) 都满足，宇宙膨胀会选择宇宙的一个小块，在这个小块中 PQ 对称性的自发破坏导致轴子场初始值的均匀值。 在这种膨胀前的情况下，拓扑缺陷被膨胀掉，对轴子能量密度没有贡献。 然而，来自等曲率模式的其他界限严重限制了这种情况，这需要相对低能量的膨胀规模才能可行。

如果条件 (a) 或 (b) 中的至少一个被违反，则轴子场在最初没有因果联系的斑块内采用不同的值，但今天填充了我们哈勃视界所包围的体积。 在这种情况下，PQ 场中的等曲率波动使轴子场随机化，功率谱中没有首选值。

在这种情况下，正确的处理方法是对膨胀宇宙中 PQ 场的运动方程进行数值求解，以捕获来自错位机制的所有特征，包括轴子弦和畴壁等拓扑缺陷的贡献。 Borsanyi 等人报告了轴子质量估计值在 0.05–1.50 meV 之间。 (2016)。 该结果是通过在超级计算机上模拟膨胀后时期轴子的形成来计算的。

最近在使用数值模拟确定 K S V Z 型轴子的当前丰度方面取得的进展导致值在 0.02 和 0.1 meV 之间，尽管这些结果受到弦发射轴子的功率谱细节的挑战。

轴子模型会仔细选择太弱而无法在先前实验中检测到的耦合强度。 人们曾认为这些不可见的轴子解决了强 CP 问题，同时仍然太小以前无法观察到。