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  • Exploration at the high-energy frontier: ATLAS Run 2 searches investigating the exotic jungle beyond the Standard Model

This content will become publicly available on April 22, 2026

Title: Exploration at the high-energy frontier: ATLAS Run 2 searches investigating the exotic jungle beyond the Standard Model
This report presents a comprehensive collection of searches for new physics performed by the ATLAS Collaboration during the Run~2 period of data taking at the Large Hadron Collider, from 2015 to 2018, corresponding to about 140~$$^{-1}$$ of $$\sqrt{s}=13$$~TeV proton--proton collision data. These searches cover a variety of beyond-the-standard model topics such as dark matter candidates, new vector bosons, hidden-sector particles, leptoquarks, or vector-like quarks, among others. Searches for supersymmetric particles or extended Higgs sectors are explicitly excluded as these are the subject of separate reports by the Collaboration. For each topic, the most relevant searches are described, focusing on their importance and sensitivity and, when appropriate, highlighting the experimental techniques employed. In addition to the description of each analysis, complementary searches are compared, and the overall sensitivity of the ATLAS experiment to each type of new physics is discussed. Summary plots and statistical combinations of multiple searches are included whenever possible.  more » « less
Award ID(s):
2411840
PAR ID:
10587481
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Elsevier
Date Published:
Journal Name:
Physics Reports
Volume:
1116
Issue:
C
ISSN:
0370-1573
Page Range / eLocation ID:
301 to 385
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A combination of searches for new heavy spin-1 resonances decaying into different pairings ofW,Z, or Higgs bosons, as well as directly into leptons or quarks, is presented. The data sample used corresponds to 139 fb−1of proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV collected during 2015–2018 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. Analyses selecting quark pairs (qq,bb,$$ t\overline{t} $$ t t ¯ , andtb) or third-generation leptons (τνandττ) are included in this kind of combination for the first time. A simplified model predicting a spin-1 heavy vector-boson triplet is used. Cross-section limits are set at the 95% confidence level and are compared with predictions for the benchmark model. These limits are also expressed in terms of constraints on couplings of the heavy vector-boson triplet to quarks, leptons, and the Higgs boson. The complementarity of the various analyses increases the sensitivity to new physics, and the resulting constraints are stronger than those from any individual analysis considered. The data exclude a heavy vector-boson triplet with mass below 5.8 TeV in a weakly coupled scenario, below 4.4 TeV in a strongly coupled scenario, and up to 1.5 TeV in the case of production via vector-boson fusion. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics)
    Abstract Particles beyond the Standard Model (SM) can generically have lifetimes that are long compared to SM particles at the weak scale. When produced at experiments such as the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, these long-lived particles (LLPs) can decay far from the interaction vertex of the primary proton–proton collision. Such LLP signatures are distinct from those of promptly decaying particles that are targeted by the majority of searches for new physics at the LHC, often requiring customized techniques to identify, for example, significantly displaced decay vertices, tracks with atypical properties, and short track segments. Given their non-standard nature, a comprehensive overview of LLP signatures at the LHC is beneficial to ensure that possible avenues of the discovery of new physics are not overlooked. Here we report on the joint work of a community of theorists and experimentalists with the ATLAS, CMS, and LHCb experiments—as well as those working on dedicated experiments such as MoEDAL, milliQan, MATHUSLA, CODEX-b, and FASER—to survey the current state of LLP searches at the LHC, and to chart a path for the development of LLP searches into the future, both in the upcoming Run 3 and at the high-luminosity LHC. The work is organized around the current and future potential capabilities of LHC experiments to generally discover new LLPs, and takes a signature-based approach to surveying classes of models that give rise to LLPs rather than emphasizing any particular theory motivation. We develop a set of simplified models; assess the coverage of current searches; document known, often unexpected backgrounds; explore the capabilities of proposed detector upgrades; provide recommendations for the presentation of search results; and look towards the newest frontiers, namely high-multiplicity ‘dark showers’, highlighting opportunities for expanding the LHC reach for these signals. 
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  3. (, International Journal of Modern Physics A)
    Many theories beyond the Standard Model (SM) predict new phenomena, such as [Formula: see text] and vector-like quarks, in final states containing bottom- or top-quarks. It is challenging to reconstruct and identify the decay products and model the major background processes. Nevertheless, such final states offer great potential to reduce the SM backgrounds due to their characteristic decay signature. The latest searches in the third-generation quark final states using the full Run-2 proton–proton collision data collected by the ATLAS experiment are presented. Particularly, the recent results of di-bjet and top-antitop resonance searches and dark matter produced in association with a top-quark are discussed in these proceedings. The associated improvements in [Formula: see text]-quark and top-quark identification techniques are also highlighted. 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Physics Letters B)
    A combination of searches for singly and doubly charged Higgs bosons, 𝐻± and 𝐻±±, produced via vector-boson fusion is performed using 140 fb−1 of proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, collected with the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider. Searches targeting decays to massive vector bosons in leptonic final states (electrons or muons) are considered. New constraints are reported on the production cross section times branching fraction for charged Higgs boson masses between 200 GeV and 3000 GeV. The results are interpreted in the context of the Georgi-Machacek model for which the most stringent constraints to date are set for the masses considered in the combination. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A summary of the constraints from searches performed by the ATLAS collaboration for the electroweak production of charginos and neutralinos is presented. Results from eight separate ATLAS searches are considered, each using 140 fb−1of proton-proton data at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV collected at the Large Hadron Collider during its second data-taking run. The results are interpreted in the context of the 19-parameter phenomenological minimal supersymmetric standard model, whereR-parity conservation is assumed and the lightest supersymmetric particle is assumed to be the lightest neutralino. Constraints from previous electroweak, flavour and dark matter related measurements are also considered. The results are presented in terms of constraints on supersymmetric particle masses and are compared with limits from simplified models. Also shown is the impact of ATLAS searches on parameters such as the dark matter relic density and the spin-dependent and spin-independent scattering cross-sections targeted by direct dark matter detection experiments. The Higgs boson andZboson ‘funnel regions’, where a low-mass neutralino would not oversaturate the dark matter relic abundance, are almost completely excluded by the considered constraints. Example spectra for non-excluded supersymmetric models with light charginos and neutralinos are also presented. 
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