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Observation of a cross-section enhancement near the $t\bar{t}$ production threshold in $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

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2026

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Report No.: CERN-EP-2026-002; arXiv:2601.11780

Abstract: A measurement of $t\bar{t}$ production is presented in the invariant-mass region near the pair production threshold, $m_{t\bar{t}} \sim 345$ GeV, in final states with two charged leptons and multiple jets. The measurement is based on $140\,\mathrm{fb}^{-1}$ of proton-proton collision data collected at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The data are compared to two models of $t\bar{t}$ production: a baseline model including only perturbative QCD predictions for the hard process, and an extended model that, in addition, incorporates non-relativistic QCD simulations of colour-singlet quasi-bound-state formation near the $t\bar{t}$ threshold. The agreement between the data and the models is quantified via a profile-likelihood fit to the reconstructed $m_{t\bar{t}}$ distributions, in bins of two angular observables sensitive to spin-correlations in the $t\bar{t}$ system. An excess of events is observed over the baseline perturbative QCD prediction, with an observed significance over $8$ standard deviations. This excess is consistent with the formation of colour-singlet and spin-singlet $S$-wave quasi-bound $t\bar{t}$ states, as predicted by non-relativistic QCD, and corresponds to an observed cross-section of $9.3^{+1.4}_{-1.3}$ pb.


Note: 64 pages in total, author list starting page 47, 12 figures, 4 tables, submitted to Reports on Progress in Physics. All figures including auxiliary figures are available at <https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/TOPQ-2025-11/

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. BARD - B-resonance Algorithm using Rare Decays (101116429) (101116429)
  4. DISCOVERHEP - Turning noise into data: a discovery strategy for new weakly-interacting physics (948254) (948254)
  5. DITTO - Comprehensive search for new phenomena in the dilepton spectrum at the LHC (101089007) (101089007)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2026
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