Measurement of inclusive and differential cross-sections in $pp$ collisions at with the ATLAS detector
利用 ATLAS 探测器在 13 TeV 能量下收集的 140 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据，本文首次展示了三轻子通道中 过程的包含与微分截面测量结果，其结果与标准模型预测一致，并对六维有效场论算符设定了限制。
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在大型强子对撞机深处发生的宏大且高能的碰撞中，物理学家们一直在不断寻找那些最罕见且最难以捉摸的事件。在这些事件中，最令人着迷的便是涉及顶夸克（top quark）的过程——它是已知最重的基本粒子，存在时间仅为极短的一瞬，随后便会衰变为其他粒子。有时，这个顶夸克是单独产生的，而非成对产生；并且在一种被称为 t-道（t-channel）的特定相互作用中，它伴随着一个 Z 玻色子，这是一种携带弱核力的粒子。这种特定的组合——单个顶夸克与一个 Z 玻色子——是一种罕见的现象，它作为一种敏感的探针，用于探测支配物质如何相互作用的基本规则。由于这一过程完全通过弱力发生，它提供了一个洁净的实验室，用以测试标准模型（即目前主流的粒子物理学理论），并寻找可能存在于我们现有理解之外的新物理学的任何微妙迹象。
一位使用 ATLAS 探测器的研究人员现在对这一罕见事件进行了迄今为止最精确的测量。通过分析 2015 年至 2018 年间记录的、对应于 140 反馈子（inverse femtobarns）积分亮度的海量质子-质子碰撞数据集，他们能够分离并计数这些特定的相互作用。这项挑战极其艰巨，因为他们所寻求的信号被淹没在更常见的背景事件的海洋之中。为了找到它，他们专注于一种特定的特征：即碰撞产生了三个轻轻子（电子或μ子）和若干粒子喷注（jets）的事件，其中至少有一个喷注源自底夸克（bottom quark）。这种由三个带电粒子和特定喷注模式组成的独特组合，使他们能够过滤掉噪声，并识别出罕见的 t-道顶夸克与 Z 玻色子产生过程。
研究人员测量了这些事件发生的速率，即截面（cross-section），结果为 95.2 飞布（femtobarns）。这一结果（包含了统计不确定度和系统不确定度）与标准模型最先进的预测完美契合。该测量精度足以将顶夸克的产生与其反物质对应物——顶反夸克（top antiquark）的产生区分开来，并确定两者之间的比例。这一比例之所以特别重要，是因为它取决于质子的内部结构，特别是其中夸克的分布。测得的比例与理论预期一致，进一步证实了我们对质子构造的理解是正确的。
除了单纯地计数事件外，他们还观察了碰撞的详细运动学特征，以观察粒子的运动和相互作用方式。他们测量了粒子能量和方向的变化情况，在原始粒子层面以及到达探测器的稳定粒子层面，绘制了一幅过程的详细图谱。这些微分测量允许物理学家在不同的条件下测试理论，例如当粒子以极高能量产生时。数据在所有这些不同变量上均与理论预测相符，没有显示出任何暗示新力或新粒子的显著偏差。
该研究还探索了顶夸克的自旋属性，这是一种描述粒子旋转方式的量子特性。通过分析衰变产物发射的角度，他们计算出一个自旋不对称性值，为 0.34。这个数值描述了顶夸克倾向于以特定取向产生的特性，其结果与标准模型的预测高度吻合。这一结果证实，即使在受到高精度测量的高强度审视时，产生这些重质量粒子的机制仍完全按照当前理论所指示的方式运行。
最后，他们利用研究结果对标准模型有效场论（Standard Model Effective Field Theory）进行了约束，这是一个通过寻找粒子相互作用方式中的微小偏差来搜寻新物理学的框架。他们检查了九个可能改变顶夸克与 Z 玻色子行为的不同参数。分析显示，没有发现此类偏差的证据，从而为这些假设效应可能产生的影响设定了严格的限制。结果证实，在本次实验的精度范围内，顶夸克与 Z 玻色子的行为与既定的物理定律完全一致。这项全面的研究不仅精炼了我们对这一罕见过程的认知，也为未来搜寻超越标准模型的新物理学设定了新的基准。
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