近日，beat365官方网站理論物理研究所劉佳課題組與威斯康星大學麥迪遜分校白楊課題組合作，将軸子自洽地引入Wess-Zumino-Witten（韋斯-祖米諾-維滕）相互作用，提出了完整的軸子-介子相互作用新理論。該成果以“軸子的韋斯-祖米諾-維滕相互作用”（Wess-Zumino-Witten interactions of axions）為題于2025年2月26日在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

強強相互作用中的CP問題是粒子物理學中尚未解決的重要問題之一。量子色動力學的非平庸真空允許出現CP對稱性破壞，但是中子電偶極矩的測量結果表明該CP破壞複相角小于10-10弧度，遠低于CKM矩陣的CP複相角。Peccei和Quinn在1977年提出了一種Pecci-Quinn新機制解決該問題，其中包含一個全局對稱性（PQ對稱性）的自發破缺。其後，諾貝爾獎獲得者Weinberg和Wilczek在1978年分别指出全局對稱性破缺之後，PQ機制存在一個輕質量的赝标量物理自由度，即軸子(Axion)。軸子可以通過非熱平衡産生，并具有足夠長的壽命，可以作為一種超輕波動型暗物質候選者。因此，軸子物理在近年來受到了粒子物理學界的廣泛關注。

最早提出的 PQWW 軸子模型假設 PQ 對稱性在電弱能标附近破缺，因此很快被加速器實驗對介子異常衰變的觀測結果所排除。然而，2021年的研究發現，早期經典文獻中對K → πa衰變的計算存在理論自洽性問題，使得預測的衰變分支比比原先估計小30 餘倍。因此，軸子低能理論需要完整捕捉軸子-介子相互作用的全部物理信息，否則計算結果容易出現不自洽。

在有效場論框架下，構造軸子-介子相互作用的低能拉氏量并不困難。然而，從高能尺度的軸子-誇克-膠子相互作用，自洽地匹配到低能軸子-介子相互作用卻并不容易。首先，誇克手征基選擇會導緻拉氏量中軸子-介子相互作用項的具體形式發生變化。然而，在一個真正自洽的理論中，最終的物理可觀測量必須獨立于手征基的選取。其次，在QCD和低能強子物理中，Wess-Zumino-Witten（WZW）相互作用至關重要。它描述了由手征反常引起的多介子和光子的相互作用。因此，一個完整的軸子-介子低能理論應該包含 WZW 相互作用。最後，軸子的PQ全局對稱性、複合矢量介子的全局對稱性以及标準模型的基本規範對稱性之間存在混合量子反常，可能會破壞标準模型的規範不變性，需要得到妥善處理。

近期，劉佳課題組與合作者在該方向上取得了重要理論進展，建立了包含軸子的WZW相互作用的自洽理論，可以描述軸子與基本規範玻色子（如光子和中性Z玻色子）以及複合赝标量和（軸）矢量介子的完整相互作用。該理論将軸子的微分1-形式作為背景矢量場引入WZW相互作用，同時引入軸子的非平庸抵消項，保證了标準模型規範相互作用的規範不變性。上述含抵消項的軸子WZW相互作用拉氏量與正常的手征拉氏量一起，構成了軸子-介子相互作用的完整理論。在該理論框架下的物理系數不依賴于誇克手征基選取。軸子誇克層次的有效拉格朗日量關系和介子層次手征拉格朗日量的匹配示意圖見圖一。

圖一：誇克層次的有效拉格朗日量關系和介子層次手征拉格朗日量的匹配示意圖。

威斯康星大學麥迪遜分校白楊教授、博士研究生Ting-Kuo Chen，beat365官方网站理論物理研究所劉佳助理教授、博士研究生馬小林共同合作完成了上述研究工作。按照高能物理學界慣例，作者按照姓氏字母順序署名。該工作得到了國家自然科學基金、核物理與核技術全國重點實驗室和beat365高能物理中心的支持。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.081803