我们期望物理定律关于宇宙的某些属性是对称的。如果描述给定物理过程的方程在变换宇宙的某些属性时没有改变，我们说这个过程与那个变换是对称的。例如，大多数物理学关于镜面反转和电荷反转是对称的。然而，弱力不是CP对称的，如果你翻转电荷并进行镜像校验，它的行为会发生变化。

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

QCD中的真空中充满了奇怪的结构。你可能会问，真空也就是“无”，怎么会有结构？在量子场论中，真空并不是什么都没有，真空是我们用来描述场的最低能量状态。真空是一个非常活跃的地方，特别是在QCD中，它有无限个最低能量状态，真空可以在这些不同的状态之间跳跃。但是因为它们都是相同的能量，量子奇异性允许QCD真空同时占据所有这些状态。

这种奇异的真空结构改变了来自QCD的运动方程，增加了一个新的项，这个项的强度由一个新的基本常数θ控制。描述θ的含义是很棘手的，实际上有不同的物理解释，但描述它的一种方法是：它是量子场在真空的不同可能最小能量状态之间移动时拾取的相位偏移。正是这一新的项使得理论预测强力应该违反CP对称性。

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

在量子场中，粒子只是场的振动。所以，有了一个新的θ场，就有可能产生一个新的粒子。θ可以在其零值附近非常轻微地振荡，这种振荡给了我们轴子。这个假设的轴子没有电荷，没有量子自旋，质量比电子还要小，它会通过强力、弱力和引力非常微弱地相互作用。

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。