单顶夸克和光子的产生：标准模型的检验与新物理的探索

在高能量的质子-质子碰撞中，有时会产生一个单独的顶夸克和一个光子。这种过程在标准模型中是非常罕见的，因为它需要同时满足两个条件：一是顶夸克必须通过电弱相互作用从一个底夸克或一个反底夸克变化而来；二是在这个过程中必须有一个虚W玻色子发射或吸收一个光子。这两个条件都需要很高的能量和很小的概率，所以这种过程只能在大型强子对撞机这样的设备中观察到。

为什么我们要关心这种过程呢？因为它可以给我们提供一些关于标准模型以外的物理的线索。我们知道标准模型是目前最成功的描述基本粒子和相互作用的理论，但它也有一些不足之处，比如它不能解释暗物质、暗能量、引力、物质和反物质的不对称性等现象。所以我们希望能找到一些标准模型的偏差或违反，从而指引我们探索更深层次的物理规律。

单顶夸克和光子的产生就是一个可能的窗口，因为它涉及到弱相互作用和电磁相互作用的混合，这两种相互作用在高能量下可能会有一些新的效应或新的粒子参与。比如，有些理论预言存在一种叫做带电Higgs玻色子的粒子，它可以替代虚W玻色子参与单顶夸克和光子的产生，并且改变了最终状态粒子的分布和性质。如果我们能够测量出这种过程的截面、分支比、角度分布等物理量，并且发现它们与标准模型的预期不符，那么我们就可能发现了新物理的蛛丝马迹。

数据分析

要观察单顶夸克和光子的产生，我们需要一个能够精确测量各种粒子类型和动量的探测器。ATLAS探测器就是这样一个设备，它是大型强子对撞机最大的一台通用探测器，其直径为25米，长度为46米，重量为7000吨。它由多层次的探测器组成，每一层都有特定的功能和结构。

在一篇发表在《物理评论快报》的论文中，作者使用了2015年至2018年在大型强子对撞机运行期间收集的ATLAS探测器数据，总共对应了139 fb^-1的质子-质子碰撞亮度。他们选择了一种特定的衰变模式，即单顶夸克衰变为一个底夸克和一个W玻色子，而W玻色子又衰变为一个轻子和一个中微子。这种模式被称为单顶夸克轻子衰变道。同时，他们要求最终状态中有一个光子，其能量大于15 GeV，并且与轻子之间的角度大于0.4弧度。这样，他们就可以从背景事件中区分出信号事件。

背景事件是指那些与信号事件具有相同或相似的最终状态粒子，但是来源于不同的物理过程的事件。比如，有些背景事件可能来自于顶夸克对的产生，其中一个顶夸克衰变为一个底夸克和一个W玻色子，而另一个顶夸克衰变为一个反底夸克和一个反W玻色子，然后两个W玻色子分别衰变为一个轻子、一个中微子和一个光子。

这种背景事件与信号事件非常相似，只是多了一个反底夸克。为了区分信号事件和背景事件，作者使用了一些物理量作为判别变量，比如反底夸克的动量、轻子和光子之间的角度、缺失横向能量等。他们还使用了一种基于神经网络的多变量分析方法，来提高信号事件的纯度。

结果与讨论

通过对数据进行筛选、重建、拟合和统计分析，作者得到了单顶夸克和光子产生截面的测量值为115 ± 29 fb，其中不确定性包括了统计误差和系统误差。这个结果与标准模型的预期值69 ± 5 fb有较大的偏差，但是仍然在两个标准差以内，所以不能排除是由于涨落造成的偶然性。

作者还给出了不同轻子类型、不同电荷符号和不同喷注数目下的截面测量值，以及与理论预期值的比较。他们发现，在所有的情况下，测量值都比预期值高，但是没有达到显著性水平。这可能意味着存在一些标准模型以外的物理效应，或者是由于理论计算或实验测量的不确定性造成的偏差。

为了进一步探索这个问题，作者还给出了单顶夸克和光子产生截面与带电Higgs玻色子质量的依赖关系，以及与其他实验结果的比较。他们发现，如果存在带电Higgs玻色子，并且其质量在200 GeV到300 GeV之间，那么它可以解释测量值和预期值之间的差异。他们还发现，他们的结果与CMS探测器的结果一致，但是与CDF探测器的结果不一致。这可能是由于不同的实验条件和分析方法造成的。