La teoría de Peccei-Quinn en física de partículas es la solución más famosa al problema de CP fuerte , es decir, la ausencia observada experimentalmente de violaciones de la invariancia de CP en la cromodinámica cuántica (QCD). La teoría fue propuesta en 1977 por Roberto Peccei y Helen Quinn . El mecanismo de Peccei-Quinn se reduce a la postulación de una nueva simetría global U (1) .
El lagrangiano QCD puede contener el llamado término θ proporcional al producto de las intensidades de campo de los gluones y alguna constante adimensional θ . Este término no viola la renormalizabilidad de QCD , pero viola la invariancia de CP , que en realidad no se observa (por ejemplo, en experimentos para buscar el momento dipolar eléctrico del neutrón). Peccei y Quinn encontraron que si asumimos que el lagrangiano QCD tiene la simetría global U (1) anterior correspondiente a las transformaciones quirales de los campos de quarks, entonces debido a la anomalíaen la divergencia de corriente axial, esto conduce a la aparición de un término adicional en el Lagrangiano efectivo, que tiene la misma estructura que el término θ . El factor constante θ′ en él es adimensional y proporcional al ángulo de rotación de los campos de quarks. Para el caso en que todos los fermiones QCD (es decir, los quarks ) tienen masa cero, todos los procesos ocurren de la misma manera para cualquier valor de la fase θ′ : la rotación de todos los campos en el espacio de simetría complementaria U (1) por el operador exp( i θ′) a través del ángulo θ′ no conduce a consecuencias observables experimentalmente. Esto se puede describir como la existencia de un número infinito de vacíos degenerados , que difieren solo en el valor de θ′ . Sin embargo, cuando los quarks adquieren una masa causada por uno u otro mecanismo dinámico (en particular, el mecanismo de Higgs ), el término adicional se vuelve tal que el Lagrangiano resultante compensa exactamente el término θ (es decir, la fase θ se vuelve efectivamente igual a cero). Así, la elección del valor de conservación de CP θ = 0 es dinámica, como consecuencia del principio de mínima acción , y no al azar.
La existencia de la simetría global Peccei-Quinn U (1) PQ conduce a la posibilidad de su ruptura espontánea , lo que necesariamente debe resultar en la aparición de un (pseudo) bosón de Goldstone . La partícula que debería aparecer como resultado de la ruptura de U (1) PQ se llama axión . Fue predicho en 1978 de forma independiente por Frank Wilczek [1] y Steven Weinberg [2] . Para 2020, los axiones siguen siendo partículas hipotéticas, no observadas experimentalmente, sin embargo, son una de las soluciones preferidas al problema de la materia oscura , y cientos de trabajos experimentales se dedican a su búsqueda.