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Search for dimuon resonance in the 35 to 75 GeV mass range using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions with the ATLAS detector

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2026

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Report No.: CERN-EP-2025-285; arXiv:2601.21361

Abstract: A model-independent search for low-mass resonances decaying into pairs of oppositely charged muons is presented. The analysis uses proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$, recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018. The search targets hypothetical dimuon resonances in the invariant mass range from 35 GeV to 75 GeV. The modelling of this mass region is particularly challenging for conventional analytic background parameterisations. To address this, a Gaussian process regression technique is used to model the background. The dimuon mass spectrum is analysed for potential signals, and no statistically significant excess is observed. Upper limits at the 95% confidence level are set on the fiducial production cross-section of new resonances decaying promptly into muons, ranging from 20 fb to 110 fb, depending on the resonance mass. These results are further interpreted in the context of dark-photon and dark-matter-mediator models, leading to new constraints on their parameter spaces.


Note: 44 pages in total, author list starting page 27, 9 figures, 3 tables, submitted to JHEP. All figures including auxiliary figures are available at http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HMBS-2024-28

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. DISCOVERHEP - Turning noise into data: a discovery strategy for new weakly-interacting physics (948254) (948254)
  6. 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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 Record created 2026-05-20, last modified 2026-05-21


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