在亚原子世界中，物质是由一小群基本粒子构成的，其中顶夸克占据着独特的地位。它是所有已知基本粒子中最重的，质量接近一个金原子，但它仅存在于转瞬即逝的瞬间便会发生衰变。由于其巨大的质量，顶夸克与希格斯场的相互作用比任何其他粒子都更强，这使其成为研究宇宙质量如何产生的关键探测器。物理学家早已知晓，顶夸克主要有两种产生方式：成对产生，即一个顶夸克与其反物质孪生兄弟同时被创造出来；或者单顶夸克产生，即单个顶夸克通过涉及弱核力的特定相互作用出现。虽然顶夸克对产生已被观察了数十年，且通过一种特定弱力路径产生的单顶夸克也已被充分记录，但第三种更罕见的路径一直难以捉摸。这种被称为 s 道（s-channel）的最终模式涉及一种不同的弱力排列方式，由于在高能碰撞中受到极大的抑制，至今仍避开了世界上最强大的粒子加速器的直接探测。
一位使用大型强子对撞机 ATLAS 探测器的研究人员终于捕捉到了这一难以捉及的过程的证据。通过分析多年收集的大量质子-质子碰撞数据（对应于 140 fb−1 的积分亮度），该科学家能够从大量的背景噪声中分离出这一稀有信号。他们所寻找的过程产生一个单顶夸克和一个底反夸克，随后这些粒子衰变为一组特定的粒子：一个电子或缪子、由中微子携带的一股缺失能量，以及恰好两个源自底夸克的粒子喷注。为了将这种稀有事件与由其他过程引起的数量庞大的类似事件区分开来，他们使用了一种被称为图神经网络（Graph Neural Network）的高级人工智能工具。该系统将每一次碰撞视为一个由连接点组成的网络，通过学习识别细微的几何和运动学模式，从而将稀有的 s 道信号与常见的背景区分开来。
这一发现不仅因为填补了实验记录中的空白而具有重要意义，还因为它提供了一种测试自然界基本相互作用力的全新且独立的途径。s 道过程直接对顶夸克与底夸克之间相互作用的强度敏感，这一数值被编码在被称为卡比博-科布里亚戈-马斯科瓦（CKM）矩阵的数学表中。此外，由于该过程极其罕见，它对可能干扰该相互作用的新型、尚未发现的粒子或力具有高度敏感性。通过对这一受抑制过程进行稳健的测量，研究人员为探测电弱部门并寻找超越我们当前理解的物理学开辟了一个新的窗口。此次测量的成功在很大程度上依赖于扩大接受碰撞事件范围的能力，以及利用先进机器学习将信号从背景中分离出来的能力，这些技术使他们实现了远高于以往尝试的灵敏度。随着这一观测结果的得出，对 s 道单顶夸克的实验搜索宣告完成，标志着在绘制物质基本结构持续努力中的一个里程碑。
技术摘要：对 s 道单顶夸克产生的观测
问题与背景 单顶夸克产生是标准模型（SM）中的一个基本过程，通过三种不同的机制进行：t 道、tW 关联产生以及 s 道。虽然 t 道和 tW 模式已在大型强子对撞机（LHC）上得到确立，但 s 道仍是最后一个在 LHC 上未能实现直接观测的单顶夸克产生机制。s 道过程的特征是，通过一个夸克与反夸克之间虚拟 W 玻 Boson 的交换，导致产生单个顶夸克和底夸克反粒子（或反之，tbˉ+tˉb）。该过程在 LHC 上受到高度抑制，因为其领先阶机制需要初始态中存在海反夸克，导致其截面显著小于顶夸克对（ttˉ）产生或 W+jets 背景。此前 ATLAS 在质心能量为 8 TeV 和 13 TeV 下的分析分别提供了 3.2 和 3.3 倍标准差的证据，但未能达到实现正式观测所需的 5σ 阈值。
方法论 本分析利用了 ATLAS 探测器在质心能量 s=13 TeV 下收集的完整 Run 2 质子-质子碰撞数据集，对应于 140 fb−1 的积分亮度。选择策略针对单顶夸克的半轻子衰变模式，要求事件具有恰好一个电子或缪子、显著的缺失横动量（ETmiss）以及恰好两个被识别为源自底夸克的喷注（b-tagged）。