FASER 中的 ALPs：作为光子束流靶的 LHC

FASER（大型强子对撞机前向搜索实验）的目标是利用放置在 ATLAS 或 CMS 远前向区域的小型且廉价的探测器来发现轻的、弱相互作用粒子。已在 ATLAS 相互作用点（IP）下游 480 m 处的一条闲置服务隧道中确定了一个有前景的位置。先前的研究发现，FASER 对在 IP 处产生的包括暗光子、暗 Higgs 玻色子和重中性轻子在内的新粒子具有显著的发现潜力。在本研究中，我们探索了 FASER 一种性质上不同的“束流靶”能力，即新粒子不是在 IP 处产生，而是通过更下游探测器元件中的碰撞产生。具体而言，我们考虑了通过 $a \gamma \gamma$ 相互作用与标准模型耦合的类轴子粒子（ALPs）的发现前景。在 IP 处产生的 TeV 能标光子与下游 130 m 处的 TAN 中性粒子吸收器发生碰撞，通过 Primakoff 过程产生 ALPs，随后 ALPs 在 FASER 中衰变为两个光子。我们证明 FASER 能够发现质量为 $m_a \sim 30 - 400~\text{MeV}$、耦合为 $g_{a\gamma\gamma} \sim 10^{-6} - 10^{-3}~\text{GeV}^{-1}$ 的 ALPs，并讨论了 ALP 信号特征和探测器要求。