FASER：LHC 上的前向搜寻实验

传统上，新物理预期出现在高能对撞机实验的高 $p_T$ 区域。然而，若新粒子轻且弱耦合，这种关注可能完全误入歧途：轻粒子通常高度集中在束流线几毫弧度内，从而允许用小型探测器进行灵敏搜寻，甚至极弱耦合的粒子也可能在那里大量产生。我们提出一项新实验——前向搜寻实验（ForwArd Search ExpeRiment，简称 FASER），它将放置在 ATLAS 或 CMS 相互作用点（IP）下游的极前向区并与之同步运行。研究了两个代表性的轴上位置：远位置，距 IP 400 m 且恰在束流隧道外；近位置，距 IP 仅 150 m 且位于 TAN 中性粒子吸收体正后方。针对每个位置，我们考察了主要的由中微子和束流诱导的本底。作为轻且弱耦合粒子的具体例子，我们考虑通过轻介子衰变和质子轫致辐射产生的暗光子。我们发现，即便是一个相对较小且廉价的圆柱形探测器，半径约 10 cm、长度 5-10 m（取决于位置），也能在暗光子质量 $m_{A'} \sim 10~\text{MeV} - 1~\text{GeV}$ 和动力学混合参数 $\epsilon \sim 10^{-7} - 10^{-3}$ 的大片未经探测的参数空间区域中发现暗光子。FASER 显然也将对许多其他形式的新物理敏感。最后我们讨论了进一步研究的课题，这些课题对于理解 FASER 的可行性、优化其设计以及实现其发现潜力至关重要。