Abstract Inelastic beam-gas collisions at the Large Hadron Collider (LHC), within a few hundred metres of the ATLAS experiment, are known to give the dominant contribution to beam backgrounds. These are monitored by ATLAS with a dedicated Beam Conditions Monitor (BCM) and with the rate of fake jets in the calorimeters. These two methods are complementary since the BCM probes backgrounds just around the beam pipe while fake jets are observed at radii of up to several metres. In order to quantify the correlation between the residual gas density in the LHC beam vacuum and the experimental backgrounds recorded by ATLAS, several dedicated tests were performed during LHC Run 2. Local pressure bumps, with a gas density several orders of magnitude higher than during normal operation, were introduced at different locations. The changes of beam-related backgrounds, seen in ATLAS, are correlated with the local pressure variation. In addition the rates of beam-gas events are estimated from the pressure measurements and pressure bump profiles obtained from calculations. Using these rates, the efficiency of the ATLAS beam background monitors to detect beam-gas events is derived as a function of distance from the interaction point. These efficiencies and characteristic distributions of fake jets from the beam backgrounds are found to be in good agreement with results of beam-gas simulations performed with the Fluka Monte Carlo programme.

A bstract Measurements of integrated and differential cross-sections for electroweak W ± Z production in association with two jets ( W ± Zjj ) in proton-proton collisions are presented. The data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider from 2015 to 2018 at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$  s  = 13 TeV are used, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb − 1 . The W ± Zjj candidate events are reconstructed using leptonic decay modes of the gauge bosons. Events containing three identified leptons, either electrons or muons, and two jets are selected. Processes involving pure electroweak W ± Zjj production at Born level are separated from W ± Zjj production involving a strong coupling. The measured integrated fiducial cross-section of electroweak W ± Zjj production per lepton flavour is $$ {\sigma}_{WZjj- EW\to {\ell}^{\prime}\nu \mathcal{ll} jj} $$ σ WZjj − EW →  ℓ ′  ν ll jj = 0 . 368 ± 0 . 037 (stat . ) ± 0 . 059 (syst . ) ± 0 . 003 (lumi . ) fb, where ℓ and ℓ ′ are either an electron or a muon. Respective cross-sections of electroweak and strong W ± Zjj production are measured separately for events with exactly two jets or with more than two jets, and in three bins of the invariant mass of the two jets. The inclusive W ± Zjj production cross-section, without separating electroweak and strong production, is also measured to be $$ {\sigma}_{WZjj\to {\ell}^{\prime}\nu \mathcal{ll} jj} $$ σ WZjj →  ℓ ′  ν ll jj = 1 . 462 ± 0 . 063 (stat . ) ± 0 . 118 (syst . ) ± 0 . 012 (lumi . ) fb, per lepton flavour. The inclusive W ± Zjj production cross-section is measured differentially for several kinematic observables. Finally, the measurements are used to constrain anomalous quartic gauge couplings by extracting 95% confidence level intervals on dimension-8 operators.

A search for heavy Majorana neutrinos in scattering of same-sign W boson pairs in proton–proton collisions at s=13 TeV at the LHC is reported. The dataset used corresponds to an integrated luminosity of 140 fb−1, collected with the ATLAS detector during 2015–2018. The search is performed in final states including a same-sign ee or eμ pair and at least two jets with large invariant mass and a large rapidity difference. No significant excess of events with respect to the Standard Model background predictions is observed. The results are interpreted in a benchmark scenario of the Phenomenological Type-I Seesaw model. New constraints are set on the values of the |VeN|2 and ⁎|VeNVμN⁎| parameters for heavy Majorana neutrino masses between 50 GeV and 20 TeV, where VℓN is the matrix element describing the mixing of the heavy Majorana neutrino mass eigenstate with the Standard Model neutrino of flavour ℓ=e,μ. The sensitivity to the Weinberg operator is investigated and constraints on the effective ee and eμ Majorana neutrino masses are reported. The statistical combination of the ee and eμ channels with the previously published μμ channel is performed.

A bstract A search for heavy pseudo-scalar ( A ) and scalar ( H ) Higgs bosons decaying into a top-quark pair ( $$ t\overline{t} $$ t t ¯ ) has been performed with 140 fb − 1 of proton-proton collision data collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$  s  = 13 TeV. Interference effects between the signal process and Standard Model (SM) $$ t\overline{t} $$ t t ¯ production are taken into account. Final states with exactly one or exactly two electrons or muons are considered. No significant deviation from the SM prediction is observed. The results of the search are interpreted in the context of a two-Higgs-doublet model (2HDM) of type II in the alignment limit with mass-degenerate pseudo-scalar and scalar Higgs bosons ( m A = m H ) and the hMSSM parameterisation of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model. Ratios of the two vacuum expectation values, tan β , smaller than 3.49 (3.16) are excluded at 95% confidence level for m A = m H = 400 GeV in the 2HDM (hMSSM). Masses up to 1240 GeV are excluded for the lowest tested tan β value of 0.4 in the 2HDM. In the hMSSM, masses up to 950 GeV are excluded for tan β = 1.0. In addition, generic exclusion limits are derived separately for single scalar and pseudo-scalar states for different choices of their mass and total width.

Several processes studied by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider produce low-momentum b-flavored hadrons in the final state. This paper describes the calibration of a dedicated tagging algorithm that identifies b-flavored hadrons outside of hadronic jets by reconstructing the soft secondary vertices originating from their decays. The calibration is based on a proton-proton collision dataset at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 140  fb−1. Scale factors used to correct the algorithm’s performance in simulated events are extracted for the b-tagging efficiency and the mistag rate of the algorithm using a data sample enriched in tt¯ events. Several orthogonal measurement regions are defined, binned as a function of the multiplicities of soft secondary vertices and jets containing a b-flavored hadron in the event. The mistag rate scale factors are estimated separately for events with low and high average numbers of interactions per bunch crossing. The results, which are derived from events with low missing transverse momentum, are successfully validated in a phase space characterized by high missing transverse momentum and therefore are applicable to new physics searches carried out in either phase space regime. © 2024 CERN, for the ATLAS Collaboration 2024 CERN

A bstract A combination of searches for Higgs boson decays into a visible photon and a massless dark photon ( H → γγ d ) is presented using 139 fb − 1 of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$  s  = 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The observed (expected) 95% confidence level upper limit on the Standard Model Higgs boson decay branching ratio is determined to be $$ \mathcal{B} $$ B ( H → γγ d ) < 1.3% (1.5)%. The search is also sensitive to higher-mass Higgs bosons decaying into the same final state. The observed (expected) 95% confidence level limit on the cross-section times branching ratio ranges from 16 fb (20 fb) for m H = 400 GeV to 1.0 fb (1.5 fb) for m H = 3 TeV. Results are also interpreted in the context of a minimal simplified model.

Abstract The identification of top quark decays where the top quark has a large momentum transverse to the beam axis, known as top tagging , is a crucial component in many measurements of Standard Model processes and searches for beyond the Standard Model physics at the Large Hadron Collider. Machine learning techniques have improved the performance of top tagging algorithms, but the size of the systematic uncertainties for all proposed algorithms has not been systematically studied. This paper presents the performance of several machine learning based top tagging algorithms on a dataset constructed from simulated proton-proton collision events measured with the ATLAS detector at √ s = 13 TeV. The systematic uncertainties associated with these algorithms are estimated through an approximate procedure that is not meant to be used in a physics analysis, but is appropriate for the level of precision required for this study. The most performant algorithms are found to have the largest uncertainties, motivating the development of methods to reduce these uncertainties without compromising performance. To enable such efforts in the wider scientific community, the datasets used in this paper are made publicly available.

A bstract A search for dark mesons originating from strongly-coupled, SU(2) dark flavor symmetry conserving models and decaying gaugephobically to pure Standard Model final states containing top and bottom quarks is presented. The search targets fully hadronic final states and final states with exactly one electron or muon and multiple jets. The analyzed data sample corresponds to an integrated luminosity of 140 fb − 1 of proton-proton collisions collected at $$ \sqrt{s} $$  s  = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. No significant excess over the Standard Model background expectation is observed and the results are used to set the first direct constraints on this type of model. The two-dimensional signal space of dark pion masses $$ {m}_{\pi_D} $$ m π D and dark rho-meson masses $$ {m}_{\rho_D} $$ m ρ D is scanned. For $$ {m}_{\pi_D}/{m}_{\rho_D} $$ m π D / m ρ D = 0 . 45, dark pions with masses $$ {m}_{\pi_D} $$ m π D < 940 GeV are excluded at the 95% CL, while for $$ {m}_{\pi_D}/{m}_{\rho_D} $$ m π D / m ρ D = 0 . 25 masses $$ {m}_{\pi_D} $$ m π D < 740 GeV are excluded.

This Letter presents results from a combination of searches for Higgs boson pair production using 126–140  fb−1 of proton-proton collision data at s=13  TeV recorded with the ATLAS detector. At 95% confidence level (CL), the upper limit on the production rate is 2.9 times the standard model (SM) prediction, with an expected limit of 2.4 assuming no Higgs boson pair production. Constraints on the Higgs boson self-coupling modifier κλ=λHHH/λHHHSM, and the quartic HHVV coupling modifier κ2V=gHHVV/gHHVVSM, are derived individually, fixing the other parameter to its SM value. The observed 95% CL intervals are −1.2<κλ<7.2 and 0.6<κ2V<1.5, respectively, while the expected intervals are −1.6<κλ<7.2 and 0.4<κ2V<1.6 in the SM case. Constraints obtained for several interaction parameters within Higgs effective field theory are the strongest to date, offering insights into potential deviations from SM predictions. © 2024 CERN, for the ATLAS Collaboration 2024 CERN