在高能量的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的頂夸克和一個(gè)光子。這種過(guò)程在標(biāo)準(zhǔn)模型中是非常罕見(jiàn)的，因?yàn)樗枰瑫r(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是頂夸克必須通過(guò)電弱相互作用從一個(gè)底夸克或一個(gè)反底夸克變化而來(lái)；二是在這個(gè)過(guò)程中必須有一個(gè)虛W玻色子發(fā)射或吸收一個(gè)光子。這兩個(gè)條件都需要很高的能量和很小的概率，所以這種過(guò)程只能在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)這樣的設(shè)備中觀察到。

為什么我們要關(guān)心這種過(guò)程呢？因?yàn)樗梢越o我們提供一些關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)模型以外的物理的線索。我們知道標(biāo)準(zhǔn)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(duì)稱(chēng)性等現(xiàn)象。所以我們希望能找到一些標(biāo)準(zhǔn)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(gè)可能的窗口，因?yàn)樗婕暗饺跸嗷プ饔煤碗姶畔嗷プ饔玫幕旌希@兩種相互作用在高能量下可能會(huì)有一些新的效應(yīng)或新的粒子參與。比如，有些理論預(yù)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(cè)量出這種過(guò)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(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)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(gè)能夠精確測(cè)量各種粒子類(lèi)型和動(dòng)量的探測(cè)器。ATLAS探測(cè)器就是這樣一個(gè)設(shè)備，它是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最大的一臺(tái)通用探測(cè)器，其直徑為25米，長(zhǎng)度為46米，重量為7000噸。它由多層次的探測(cè)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(píng)論快報(bào)》的論文中，作者使用了2015年至2018年在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)運(yùn)行期間收集的ATLAS探測(cè)器數(shù)據(jù)，總共對(duì)應(yīng)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€(gè)底夸克和一個(gè)W玻色子，而W玻色子又衰變?yōu)橐粋€(gè)輕子和一個(gè)中微子。這種模式被稱(chēng)為單頂夸克輕子衰變道。同時(shí)，他們要求最終狀態(tài)中有一個(gè)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(hào)事件。

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

這種背景事件與信號(hào)事件非常相似，只是多了一個(gè)反底夸克。為了區(qū)分信號(hào)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(dòng)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(luò)的多變量分析方法，來(lái)提高信號(hào)事件的純度。

結(jié)果與討論

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、重建、擬合和統(tǒng)計(jì)分析，作者得到了單頂夸克和光子產(chǎn)生截面的測(cè)量值為115 ± 29 fb，其中不確定性包括了統(tǒng)計(jì)誤差和系統(tǒng)誤差。這個(gè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期值69 ± 5 fb有較大的偏差，但是仍然在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以?xún)?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(lèi)型、不同電荷符號(hào)和不同噴注數(shù)目下的截面測(cè)量值，以及與理論預(yù)期值的比較。他們發(fā)現(xiàn)，在所有的情況下，測(cè)量值都比預(yù)期值高，但是沒(méi)有達(dá)到顯著性水平。這可能意味著存在一些標(biāo)準(zhǔn)模型以外的物理效應(yīng)，或者是由于理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)量的不確定性造成的偏差。

為了進(jìn)一步探索這個(gè)問(wèn)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(lài)關(guān)系，以及與其他實(shí)驗(yàn)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(cè)量值和預(yù)期值之間的差異。他們還發(fā)現(xiàn)，他們的結(jié)果與CMS探測(cè)器的結(jié)果一致，但是與CDF探測(cè)器的結(jié)果不一致。這可能是由于不同的實(shí)驗(yàn)條件和分析方法造成的。