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Missing-mass search in forward-proton-tagged dilepton events with the ATLAS detector

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2026

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Report No.: CERN-EP-2025-284; arXiv:2603.20837

Abstract: A search is conducted in proton-proton collisions at the Large Hadron Collider for photon-induced production $pp\rightarrow pp+ γγ, (γγ\rightarrow VX)$ of a visible particle $V$ decaying into a pair of same-flavour charged leptons ($e^+e^-$ or $μ^+μ^-$) and an undetected invisible component $X$. Measurements of the outgoing proton energies by the ATLAS forward proton spectrometer allow the full photon-photon four-momentum to be reconstructed. By subtracting the visible four-momentum of the central system measured with the ATLAS detector, the 'missing mass' of any event components not detected in the central region can be reconstructed, enabling the reconstruction of $X$ without knowing its properties, thus allowing the search to be model-independent. A search for a narrow resonance is performed in the missing-mass spectrum between 100 GeV and 900 GeV. The analysis uses data collected in 2017 from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} =$ 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 14.7 fb$^{-1}$. No significant excess over the Standard Model expectation is observed and upper limits at 95% confidence level are set on the fiducial cross sections for three different signal models in the range between 128 and 2.5 fb. Additionally, model-independent limits are set on the visible cross section of BSM processes, for two sets of selection criteria. Both individual lepton flavour decay channels of the visible boson and a combination of the two channels are considered.


Note: 50 pages in total, author list starting page 35, 16 figures, 5 tables, submitted to JHEP. All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2023-13

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)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2026
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 Record created 2026-05-26, last modified 2026-05-27


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