We review the most important experimental results from the first three years of nucleus-nucleus collision studies at RHIC, with emphasis on results from the STAR experiment, and we assess their interpretation and comparison to theory. The theory-experiment comparison suggests that central Au+Au collisions at RHIC produce dense, rapidly thermalizing matter characterized by: (1) initial energy densities above the critical values predicted by lattice QCD for establishment of a Quark-Gluon Plasma (QGP); (2) nearly ideal fluid flow, marked by constituent interactions of very short mean free path, established most probably at a stage preceding hadron formation; and (3) opacity to jets. Many of the observations are consistent with models incorporating QGP formation in the early collision stages, and have not found ready explanation in a hadronic framework. However, the measurements themselves do not yet establish unequivocal evidence for a transition to this new form of matter. The theoretical treatment of the collision evolution, despite impressive successes, invokes a suite of distinct models, degrees of freedom and assumptions of as yet unknown quantitative consequence. We pose a set of important open questions, and suggest additional measurements, at least some of which should be addressed in order to establish a compelling basis to conclude definitively that thermalized, deconfined quark-gluon matter has been produced at RHIC.

In response to the 2013 Update of the European Strategy for Particle Physics, the Future Circular Collider (FCC) study was launched, as an international collaboration hosted by CERN. This study covers a highest-luminosity high-energy lepton collider (FCC-ee) and an energy-frontier hadron collider (FCC-hh), which could, successively, be installed in the same 100 km tunnel. The scientific capabilities of the integrated FCC programme would serve the worldwide community throughout the 21st century. The FCC study also investigates an LHC energy upgrade, using FCC-hh technology. This document constitutes the second volume of the FCC Conceptual Design Report, devoted to the electron-positron collider FCC-ee. After summarizing the physics discovery opportunities, it presents the accelerator design, performance reach, a staged operation scenario, the underlying technologies, civil engineering, technical infrastructure, and an implementation plan. FCC-ee can be built with today’s technology. Most of the FCC-ee infrastructure could be reused for FCC-hh. Combining concepts from past and present lepton colliders and adding a few novel elements, the FCC-ee design promises outstandingly high luminosity. This will make the FCC-ee a unique precision instrument to study the heaviest known particles (Z, W and H bosons and the top quark), offering great direct and indirect sensitivity to new physics.

We report the observation of gravitational waves from two compact binary coalescences in LIGO's and Virgo's third observing run with properties consistent with neutron star-black hole (NSBH) binaries. The two events are named GW200105_162426 and GW200115_042309, abbreviated as GW200105 and GW200115; the first was observed by LIGO Livingston and Virgo, and the second by all three LIGO-Virgo detectors. The source of GW200105 has component masses $8.9^{+1.2}_{-1.5}\,M_\odot$ and $1.9^{+0.3}_{-0.2}\,M_\odot$, whereas the source of GW200115 has component masses $5.7^{+1.8}_{-2.1}\,M_\odot$ and $1.5^{+0.7}_{-0.3}\,M_\odot$ (all measurements quoted at the 90% credible level). The probability that the secondary's mass is below the maximal mass of a neutron star is 89%-96% and 87%-98%, respectively, for GW200105 and GW200115, with the ranges arising from different astrophysical assumptions. The source luminosity distances are $280^{+110}_{-110}$ Mpc and $300^{+150}_{-100}$ Mpc, respectively. The magnitude of the primary spin of GW200105 is less than 0.23 at the 90% credible level, and its orientation is unconstrained. For GW200115, the primary spin has a negative spin projection onto the orbital angular momentum at 88% probability. We are unable to constrain spin or tidal deformation of the secondary component for either event. We infer a NSBH merger rate density of $45^{+75}_{-33}\,\mathrm{Gpc}^{-3} \mathrm{yr}^{-1}$ when assuming GW200105 and GW200115 are representative of the NSBH population, or $130^{+112}_{-69}\,\mathrm{Gpc}^{-3} \mathrm{yr}^{-1}$ under the assumption of a broader distribution of component masses.

We review the physics opportunities of the Future Circular Collider, covering its e+e-, pp, ep and heavy ion programmes. We describe the measurement capabilities of each FCC component, addressing the study of electroweak, Higgs and strong interactions, the top quark and flavour, as well as phenomena beyond the Standard Model. We highlight the synergy and complementarity of the different colliders, which will contribute to a uniquely coherent and ambitious research programme, providing an unmatchable combination of precision and sensitivity to new physics.

In response to the 2013 Update of the European Strategy for Particle Physics (EPPSU), the Future Circular Collider (FCC) study was launched as a world-wide international collaboration hosted by CERN. The FCC study covered an energy-frontier hadron collider (FCC-hh), a highest-luminosity high-energy lepton collider (FCC-ee), the corresponding 100 km tunnel infrastructure, as well as the physics opportunities of these two colliders, and a high-energy LHC, based on FCC-hh technology. This document constitutes the third volume of the FCC Conceptual Design Report, devoted to the hadron collider FCC-hh. It summarizes the FCC-hh physics discovery opportunities, presents the FCC-hh accelerator design, performance reach, and staged operation plan, discusses the underlying technologies, the civil engineering and technical infrastructure, and also sketches a possible implementation. Combining ingredients from the Large Hadron Collider (LHC), the high-luminosity LHC upgrade and adding novel technologies and approaches, the FCC-hh design aims at significantly extending the energy frontier to 100 TeV. Its unprecedented centre of-mass collision energy will make the FCC-hh a unique instrument to explore physics beyond the Standard Model, offering great direct sensitivity to new physics and discoveries.

This document proposes a collection of simplified models relevant to the design of new-physics searches at the LHC and the characterization of their results. Both ATLAS and CMS have already presented some results in terms of simplified models, and we encourage them to continue and expand this effort, which supplements both signature-based results and benchmark model interpretations. A simplified model is defined by an effective Lagrangian describing the interactions of a small number of new particles. Simplified models can equally well be described by a small number of masses and cross-sections. These parameters are directly related to collider physics observables, making simplified models a particularly effective framework for evaluating searches and a useful starting point for characterizing positive signals of new physics. This document serves as an official summary of the results from the "Topologies for Early LHC Searches" workshop, held at SLAC in September of 2010, the purpose of which was to develop a set of representative models that can be used to cover all relevant phase space in experimental searches. Particular emphasis is placed on searches relevant for the first ~50-500 pb-1 of data and those motivated by supersymmetric models. This note largely summarizes material posted at http://lhcnewphysics.org/, which includes simplified model definitions, Monte Carlo material, and supporting contacts within the theory community. We also comment on future developments that may be useful as more data is gathered and analyzed by the experiments.

The STAR collaboration at the BNL Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) reports measurements of the inclusive yield of nonphotonic electrons, which arise dominantly from semileptonic decays of heavy flavor mesons, over a broad range of transverse momenta ($1.2<{p}_{T}<10\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}/c$) in $p+p$, $d+\mathrm{Au}$, and $\mathrm{Au}+\mathrm{Au}$ collisions at $\sqrt{{s}_{\mathrm{NN}}}=200\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}$. The nonphotonic electron yield exhibits an unexpectedly large suppression in central $\mathrm{Au}+\mathrm{Au}$ collisions at high ${p}_{T}$, suggesting substantial heavy-quark energy loss at RHIC. The centrality and ${p}_{T}$ dependences of the suppression provide constraints on theoretical models of suppression.

An analysis of gravitational waves from 76 compact binary mergers provides new constraints on the population properties of neutron stars and black holes, as well as on their formation and evolution pathways.

Direct detection of dark matter (DM) requires an interaction of dark matter particles with nucleons. The same interaction can lead to dark matter pair production at a hadron collider, and with the addition of initial state radiation this may lead to mono-jet signals. Mono-jet searches at the Tevatron can thus place limits on DM direct detection rates. We study these bounds both in the case where there is a contact interaction between DM and the standard model and where there is a mediator kinematically accessible at the Tevatron. We find that in many cases the Tevatron provides the current best limit, particularly for light dark matter, below ∼5 GeV, a and for spin dependent interactions. Non-standard dark matter candidates are also constrained. The introduction of a light mediator significantly weakens the collider bound. A direct detection discovery that is in apparent conflict with mono-jet limits will thus point to a new light state coupling the standard model to the dark sector. Mono-jet searches with more luminosity and including the spectrum shape in the analysis can improve the constraints on DM-nucleon scattering cross section.

We present strange particle spectra and yields measured at midrapidity in $\sqrt{s}=200$ GeV proton-proton ($p+p$) collisions at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). We find that the previously observed universal transverse mass (${m}_{T}\ensuremath{\equiv}\sqrt{{{p}_{T}}^{2}+{m}^{2}}$) scaling of hadron production in $p+p$ collisions seems to break down at higher ${m}_{T}$ and that there is a difference in the shape of the ${m}_{T}$ spectrum between baryons and mesons. We observe midrapidity antibaryon to baryon ratios near unity for \ensuremath{\Lambda} and \ensuremath{\Xi} baryons and no dependence of the ratio on transverse momentum, indicating that our data do not yet reach the quark-jet dominated region. We show the dependence of the mean transverse momentum $\ensuremath{\langle}{p}_{T}\ensuremath{\rangle}$ on measured charged particle multiplicity and on particle mass and infer that these trends are consistent with gluon-jet dominated particle production. The data are compared with previous measurements made at the CERN Super Proton Synchrotron and Intersecting Storage Rings and in Fermilab experiments and with leading-order and next-to-leading-order string fragmentation model predictions. We infer from these comparisons that the spectral shapes and particle yields from $p+p$ collisions at RHIC energies have large contributions from gluon jets rather than from quark jets.