LHC制成希格斯玻色子的几种不同机制的费曼图。

ATLAS计划探究许多可能会在LHC的高能碰撞里被探测到的物理现象，其中有一些是对标准模型的证实或测量精度的加强，而其它可能是新物理理论的重要线索。

ATLAS最主要的实验目标之一是发现标准模型的一个尚未证实的粒子——希格斯玻色子。在标准模型里，电弱对称性破缺促使规范矢量场获得质量，但又额外生成了多余的零质量戈德斯通玻色子。选择适当的规范，可以除去这零质量戈德斯通玻色子，只存留带质量标量场（希格斯玻色子）与带质量规范矢量场（W及Z玻色子）。这整个称为希格斯机制的过程可以解释为什么负责传递弱相互作用的W及Z玻色子具有质量，而负责传递电磁相互作用的光子不具有质量。假若实验证实希格斯玻色子存在，则可给予希格斯机制极大的肯定，特别是对于为什么某些基本粒子具有质量这问题的解释，也可以确定标准模型基本无误。

从希格斯玻色子的衰变产物的形式，可以侦测到希格斯玻色子的存在。最容易观测到的的是2个光子、2个底夸克或4个轻子。有时，只能从这些衰变与其他额外的粒子的相联作用，才能够确切识别为源于希格斯玻色子。这样的例子可以参见右边的费曼图。

有些理论不需要希格斯玻色子的存在。这些理论称为无希格斯模型，例如彩色模型。假若希格斯玻色子被证实不存在，则物理学者可能会改聚焦于这些理论。

将物质与反物质的物理行为做比较，所观测到的不对称性被称作CP破坏，这题目也包括在ATLAS的研究范围内。关于CP破坏的实验，例如BaBar实验和Belle实验，还没能够在标准模型里搜集到足够的CP破坏证据来解释宇宙中缺少反物质的原因。新的物理模型很可能会引入额外的CP破坏，从而为这个问题带来新线索。这些模型可以从新粒子的生成而直接被证实，或者通过测量B-介子的属性而间接被证实。LHCb是LHC的一个子实验，其目标是探究B-介子，所以比较适合后面那种间接探索的方法。

顶夸克于1995年在费米国立加速器实验室被发现，但至今为止，对于这种粒子的属性，只做了一些较为粗略地测量。LHC能提供更高的能量和粒子碰撞率，从而制成大量的顶夸克，使得ATLAS能够对该粒子进行更加精确的测量，并探究顶夸克与其他粒子间的相互作用。这些测量可以为标准模型的细节提供间接的信息，或许会揭露它与新物理现象之间的不一致。ATLAS也会对其他粒子进行类似的精确测量。例如，ATLAS最终可能会测定W玻色子的质量，精确度有望达到先前的两倍。

直接寻找一种新的物理模型可能是ATLAS中最激动人心的部分。很多研究的主题是超对称破坏理论。此理论十分流行，因为它有可能解决理论物理学中一系列问题，在几乎所有弦理论里都会遇到它。超对称模型涉及新的、极大质量的粒子。在许多情况里，这些粒子衰变成高能夸克和稳定的高质量粒子（这些粒子不太可能与一般物质发生相互作用）。这些稳定粒子会从探测器中逃逸，留下一个或多个高能夸克喷注的迹象，以及大量遗失动量。其它一些假想的重粒子，例如卡鲁扎-克莱因理论中的那些粒子，可能会留下相似的迹象，但是这些例子的发现肯定指出，超越标准模型之外，必定有某种不同的物理理论。

还有一个微乎其微的可能（假若宇宙具有大尺寸的额外维度）是LHC制造出微观黑洞。它们会通过霍金辐射立即衰变，以相同的数量生成标准模型中所有的粒子，并在ATLAS探测器中留下一个无可否认的迹象。实际而言，如果这现象发生，则关于希格斯玻色子以及顶夸克的研究将会从黑洞生成的这些粒子展开。