軸子 (/??ksi?n/) 是 1977 年 Peccei-Quinn 理論提出的一種假想基本粒子，用于解決量子色動力學 (QCD) 中的強 CP 問題。 如果軸子存在并且在特定范圍內具有低質量，那么它們作為冷暗物質的可能成分會引起人們的興趣。

正如 Gerard 't Hooft 所示，標準模型 QCD 的強相互作用具有非平凡的真空結構，原則上允許違反電荷共軛和宇稱的組合對稱性，統稱為 CP。 與弱相互作用產生的效應一起，有效周期性強 CP 違反項 Θ 顯示為標準模型輸入——其值未由理論預測，但必須測量。 然而，源自 QCD 的大 CP 破壞相互作用會引起中子的大電偶極矩 (EDM)。 當前未觀察到的 EDM 的實驗限制意味著 QCD 的 CP 破壞必須非常小，因此 Θ 本身必須非常小。 由于 Θ 可以具有 0 到 2π 之間的任何值，這對標準模型提出了自然性問題。 為什么這個參數會發現自己如此接近于零？ （或者，為什么 QCD 發現自己保持 CP ？）這個問題構成了所謂的強 CP 問題。

1977 年，Roberto Peccei 和 Helen Quinn 提出了一個更優雅的解決強 CP 問題的方法，即 Peccei-Quinn 機制。 這個想法是為了有效地將 Θ 推廣到一個領域。 這是通過添加一個自發破壞的新全局對稱性（稱為 Peccei–Quinn (PQ) 對稱性）來實現的。 這導致了一個新粒子，如 Frank Wilczek 和 Steven Weinberg 獨立展示的那樣，它填補了 Θ 的角色，自然地將 CP 違反參數放寬為零。 Wilczek 將這種新的假設粒子命名為軸子，因為它可以解決一個問題，而 Weinberg 則將其稱為 higglet。 溫伯格后來同意采用威爾切克的名字來命名這個粒子。 因為它的質量不為零，所以軸子是偽南部-戈德斯通玻色子。

QCD 效應產生有效的周期性勢能，軸子場在其中移動。 軸子場圍繞有效勢的最小值的振蕩，即所謂的未對準機制，產生了冷軸子的宇宙學種群，其豐度取決于軸子的質量。 質量超過電子質量 (5 μeV/c2) 10?11 倍的軸子可以解釋暗物質，因此既是暗物質候選者又是強 CP 問題的解決方案。 如果膨脹發生在低尺度并持續足夠長的時間，則軸子質量可以低至 1 peV/c2。

軸子場開始演化有兩種不同的情況，具體取決于以下兩個條件：

從廣義上講，會發生以下兩個小節中概述的兩種可能情況之一：

如果 (a) 和 (b) 都滿足，宇宙膨脹會選擇宇宙的一個小塊，在這個小塊中 PQ 對稱性的自發破壞導致軸子場初始值的均勻值。 在這種膨脹前的情況下，拓撲缺陷被膨脹掉，對軸子能量密度沒有貢獻。 然而，來自等曲率模式的其他界限嚴重限制了這種情況，這需要相對低能量的膨脹規模才能可行。

如果條件 (a) 或 (b) 中的至少一個被違反，則軸子場在最初沒有因果聯系的斑塊內采用不同的值，但今天填充了我們哈勃視界所包圍的體積。 在這種情況下，PQ 場中的等曲率波動使軸子場隨機化，功率譜中沒有首選值。

在這種情況下，正確的處理方法是對膨脹宇宙中 PQ 場的運動方程進行數值求解，以捕獲來自錯位機制的所有特征，包括軸子弦和疇壁等拓撲缺陷的貢獻。 Borsanyi 等人報告了軸子質量估計值在 0.05–1.50 meV 之間。 (2016)。 該結果是通過在超級計算機上模擬膨脹后時期軸子的形成來計算的。

最近在使用數值模擬確定 K S V Z 型軸子的當前豐度方面取得的進展導致值在 0.02 和 0.1 meV 之間，盡管這些結果受到弦發射軸子的功率譜細節的挑戰。

軸子模型會仔細選擇太弱而無法在先前實驗中檢測到的耦合強度。 人們曾認為這些不可見的軸子解決了強 CP 問題，同時仍然太小以前無法觀察到。