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Observation of a $B_c^{*+}$ meson with the ATLAS detector

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2026

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Report No.: CERN-EP-2026-142; arXiv:2605.16228

Abstract: The first observation of a new meson state decaying into $B_c^+$ and a photon is presented using a dataset of $pp$ collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s} = 13$ TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. The $B_c^+$ mesons are reconstructed from a three-muon final state from $B_c^+\to J/ψ(μ^+μ^-)μ^+ν_μX$ decays, along with photons reconstructed via conversions to electron-positron pairs in the detector material. The new state is observed with a significance that exceeds 8 standard deviations. The mass difference between the new meson state and the ground-state $B_c^+$ meson is measured to be $64.5 \pm 1.4\text{(stat.)}^{+1.0}_{-1.4}\text{(syst.)}$ MeV. This corresponds to a mass for the observed state of $6339.0 \pm 1.4\text{(stat.)}^{+1.0}_{-1.4}\text{(syst.)}\pm 0.3(m_{B_c^+})$ MeV, where the last uncertainty is due to the precision of the best knowledge of the $B_c^+$ meson mass. The low mass difference value matches the theory expectations for the lowest vector state of the $\bar{b}c$ quarkonium system, the $B_c^{*+}$ meson.


Note: 32 pages in total, author list starting page 15, 2 figures, 1 table, submitted to PRL. All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/BPHY-2022-03/

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. DFG project G:(GEPRIS)469666862 - Präzisionstests des Standardmodells unter der Verwendung von geboosteten W/Z-Bosonen am Large Hadron Collider (469666862) (469666862)
  3. REALDARK - REAL-time discovery strategies for DARK matter and dark sector signals at the ATLAS detector with Run-3 LHC data (101002463) (101002463)
  4. BARD - B-resonance Algorithm using Rare Decays (101116429) (101116429)
  5. DITTO - Comprehensive search for new phenomena in the dilepton spectrum at the LHC (101089007) (101089007)
  6. SMASH - Machine learning for Sciences and Humanities (101081355) (101081355)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2026
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