在高能量的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中，有時會產(chǎn)生一個單獨的頂夸克和一個光子。這種過程在標準模型中是非常罕見的，因為它需要同時滿足兩個條件：一是頂夸克必須通過電弱相互作用從一個底夸克或一個反底夸克變化而來；二是在這個過程中必須有一個虛W玻色子發(fā)射或吸收一個光子。這兩個條件都需要很高的能量和很小的概率，所以這種過程只能在大型強子對撞機這樣的設備中觀察到。

為什么我們要關心這種過程呢？因為它可以給我們提供一些關于標準模型以外的物理的線索。我們知道標準模型是目前最成功的描述基本粒子和相互作用的理論，但它也有一些不足之處，比如它不能解釋暗物質(zhì)、暗能量、引力、物質(zhì)和反物質(zhì)的不對稱性等現(xiàn)象。所以我們希望能找到一些標準模型的偏差或違反，從而指引我們探索更深層次的物理規(guī)律。

單頂夸克和光子的產(chǎn)生就是一個可能的窗口，因為它涉及到弱相互作用和電磁相互作用的混合，這兩種相互作用在高能量下可能會有一些新的效應或新的粒子參與。比如，有些理論預言存在一種叫做帶電Higgs玻色子的粒子，它可以替代虛W玻色子參與單頂夸克和光子的產(chǎn)生，并且改變了最終狀態(tài)粒子的分布和性質(zhì)。如果我們能夠測量出這種過程的截面、分支比、角度分布等物理量，并且發(fā)現(xiàn)它們與標準模型的預期不符，那么我們就可能發(fā)現(xiàn)了新物理的蛛絲馬跡。(www.wS46.com)

數(shù)據(jù)分析

要觀察單頂夸克和光子的產(chǎn)生，我們需要一個能夠精確測量各種粒子類型和動量的探測器。ATLAS探測器就是這樣一個設備，它是大型強子對撞機最大的一臺通用探測器，其直徑為25米，長度為46米，重量為7000噸。它由多層次的探測器組成，每一層都有特定的功能和結(jié)構(gòu)。

在一篇發(fā)表在《物理評論快報》的論文中，作者使用了2015年至2018年在大型強子對撞機運行期間收集的ATLAS探測器數(shù)據(jù)，總共對應了139 fb^-1的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞亮度。他們選擇了一種特定的衰變模式，即單頂夸克衰變?yōu)橐粋€底夸克和一個W玻色子，而W玻色子又衰變?yōu)橐粋€輕子和一個中微子。這種模式被稱為單頂夸克輕子衰變道。同時，他們要求最終狀態(tài)中有一個光子，其能量大于15 GeV，并且與輕子之間的角度大于0.4弧度。這樣，他們就可以從背景事件中區(qū)分出信號事件。

背景事件是指那些與信號事件具有相同或相似的最終狀態(tài)粒子，但是來源于不同的物理過程的事件。比如，有些背景事件可能來自于頂夸克對的產(chǎn)生，其中一個頂夸克衰變?yōu)橐粋€底夸克和一個W玻色子，而另一個頂夸克衰變?yōu)橐粋€反底夸克和一個反W玻色子，然后兩個W玻色子分別衰變?yōu)橐粋€輕子、一個中微子和一個光子。

這種背景事件與信號事件非常相似，只是多了一個反底夸克。為了區(qū)分信號事件和背景事件，作者使用了一些物理量作為判別變量，比如反底夸克的動量、輕子和光子之間的角度、缺失橫向能量等。他們還使用了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的多變量分析方法，來提高信號事件的純度。

結(jié)果與討論

通過對數(shù)據(jù)進行篩選、重建、擬合和統(tǒng)計分析，作者得到了單頂夸克和光子產(chǎn)生截面的測量值為115 ± 29 fb，其中不確定性包括了統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差。這個結(jié)果與標準模型的預期值69 ± 5 fb有較大的偏差，但是仍然在兩個標準差以內(nèi)，所以不能排除是由于漲落造成的偶然性。

作者還給出了不同輕子類型、不同電荷符號和不同噴注數(shù)目下的截面測量值，以及與理論預期值的比較。他們發(fā)現(xiàn)，在所有的情況下，測量值都比預期值高，但是沒有達到顯著性水平。這可能意味著存在一些標準模型以外的物理效應，或者是由于理論計算或?qū)嶒灉y量的不確定性造成的偏差。

為了進一步探索這個問題，作者還給出了單頂夸克和光子產(chǎn)生截面與帶電Higgs玻色子質(zhì)量的依賴關系，以及與其他實驗結(jié)果的比較。他們發(fā)現(xiàn)，如果存在帶電Higgs玻色子，并且其質(zhì)量在200 GeV到300 GeV之間，那么它可以解釋測量值和預期值之間的差異。他們還發(fā)現(xiàn)，他們的結(jié)果與CMS探測器的結(jié)果一致，但是與CDF探測器的結(jié)果不一致。這可能是由于不同的實驗條件和分析方法造成的。