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。

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。