Les sujets de physique qui seront étudiés par l'expérience ATLAS au LHC couvrent un large spectre de thématiques allant de la recherche du boson de Higgs, pièce manquante de l'édifice théorique qu'est le modèle standard (MS) de la physique des particules, jusqu'à la recherche directe d'une nouvelle physique, à l'échelle du TeV, prédite par des modèles théoriques au delà du MS, tels que la supersymétrie, les dimensions supplémentaires ou les modèles de grande unification. Les mesures des paramètres du MS à partir des processus issus des interactions électrofaible et forte (masse du W, masse et couplage du quark top, couplages WW&gamma, WWZ, sections efficaces des différents processus physiques produits,... etc) ainsi que la physique des hadrons beaux avec les mesures des processus violant la symétrie CP et l'étude des processus rares de désintégration des hadrons beaux, excellentes sondes pour la mise en évidence indirecte d'une nouvelle physique au delà du MS, seront aussi menées par l'expérience ATLAS et sont toutes aussi importantes pour compléter et améliorer notre compréhension de la physique à l'échelle d'énergie qui sera explorée par le LHC.
Dans le cadre des études de performances du détecteur ATLAS et la préparation des analyses de physique, le groupe ATLAS s'est engagé depuis plusieurs années dans la physique du quark top à travers les études de corrélation de spin pour la recherche de couplages anormaux entre le quark top et le boson W, et sur la recherche d'une part du boson de Higgs standard dans les canaux de productions associées ttH(bb) et WH(bb) et d'autre part du boson de Higgs supersymétrique H^± dans le canal tbH(tb). Depuis quelques années le groupe ATLAS travaille aussi, dans le cadre de la préparation des analyses avec les premières données du LHC, sur la recherche de résonances de hautes masses prédites par les modèles de grande unification, tels que les bosons Z' et W'^± se désintégrant respectivement en paire e⁺e^- et e^±&nu, sur la mesure de la section efficace de production des événements contenant une paire de quarks top-anti top, ainsi que sur la recherche de la supersymétrie dans des états finaux avec un boson Z et de l'énergie transverse manquante. L'efficacité de toutes ces analyses et études repose sur la compréhension des différents sous détecteurs d'ATLAS. C'est pourquoi le groupe ATLAS s'est investi depuis le début dans un travail important et systématique de simulation du calorimètre électromagnétique et du détecteur à pixels, leurs étalonnages et l'évaluation de leurs performances, avec en particulier les travaux sur les améliorations des algorithmes de séparation des électrons et des jets et sur l'étiquetage des jets issus des quarks beaux, pour lequel le groupe a un rôle moteur dans la collaboration ATLAS. Dans toutes ces analyses et études, le groupe fait un usage grandissant du calcul distribué sur la grille de calcul mondiale du LHC (LCG).