[论文解读] FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga+26 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Particle Detector Development and Performance被引用 25

一句话总结

FASER 提出在 LHC 上开展一项紧凑、低成本的实验，旨在搜索在远向前方区域产生并在 480 米外衰变为可见粒子的长寿命、弱相互作用粒子——例如暗光子、轴子样粒子和重中性轻子。该探测器安装在未使用的侧隧道（TI12/TI18）中，利用 14 TeV 下的高非弹性截面，以极低的基础设施和成本实现对罕见、低动量、长寿命粒子的卓越灵敏度。

ABSTRACT

FASER, the ForwArd Search ExpeRiment, is a proposed experiment dedicated to searching for light, extremely weakly-interacting particles at the LHC. Such particles may be produced in the LHC's high-energy collisions in large numbers in the far-forward region and then travel long distances through concrete and rock without interacting. They may then decay to visible particles in FASER, which is placed 480 m downstream of the ATLAS interaction point. In this work, we describe the FASER program. In its first stage, FASER is an extremely compact and inexpensive detector, sensitive to decays in a cylindrical region of radius R = 10 cm and length L = 1.5 m. FASER is planned to be constructed and installed in Long Shutdown 2 and will collect data during Run 3 of the 14 TeV LHC from 2021-23. If FASER is successful, FASER 2, a much larger successor with roughly R ~ 1 m and L ~ 5 m, could be constructed in Long Shutdown 3 and collect data during the HL-LHC era from 2026-35. FASER and FASER 2 have the potential to discover dark photons, dark Higgs bosons, heavy neutral leptons, axion-like particles, and many other long-lived particles, as well as provide new information about neutrinos, with potentially far-ranging implications for particle physics and cosmology. We describe the current status, anticipated challenges, and discovery prospects of the FASER program.

研究动机与目标

• 在 LHC 碰撞的远向前方区域中，搜索大量产生的轻量、弱耦合粒子（例如暗光子、轴子样粒子）。
• 利用高非弹性截面（13 TeV 时约为 75 mb，150 fb⁻¹ 下约 1.1×10^16 次事件）产生足够率的稀有、长寿命粒子，以实现探测。
• 通过在 ATLAS 相互作用点下游 480 米处放置紧凑、低成本探测器，探测这些粒子衰变为可见标准模型粒子的情况。
• 通过探测高 pT 触发实验所遗漏的低横动量、长寿命信号，补充现有 LHC 搜索。
• 通过可扩展的两阶段计划（FASER 和 FASER 2），实现新物理的发现潜力，包括暗物质候选者和中微子性质。

提出的方法

• 在 ATLAS 相互作用点下游 480 米处的闲置侧隧道 TI12 中安装一个紧凑探测器（0.047 m³ 衰变体积），以捕捉长寿命粒子的衰变。
• 利用高非弹性 pp 截面（13 TeV 时 σinel ≈ 75 mb）和强子的前向产生（例如 π⁰：4.6×10¹⁸，η：5.0×10¹⁷），产生大量潜在新粒子的通量。
• 利用 ATLAS（SCT 模块）和 LHCb（量能器模块）的现有备用硬件，最大限度降低费用和建设时间。
• 部署对位移顶点和低能沉积敏感的触发系统，优化对长寿命粒子稀有衰变的探测。
• 使用快速模拟技术与参数化簇射模型，降低计算成本，其 CPU 使用量与主要 LHC 实验相比可忽略不计。
• 计划在长停机期 3（2024–2026）部署 FASER 2（R ~ 1 m，L ~ 5 m，约 10 m³ 体积），以在 HL-LHC 时代（2026–2035）提升灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ATLAS 相互作用点下游 480 米处安装的紧凑、低成本探测器，能否探测到 LHC 碰撞远向前方区域产生的长寿命、弱相互作用粒子？
• RQ2 FASER 对质量在 MeV–GeV 范围内的暗光子、轴子样粒子和重中性轻子的发现潜力如何？
• RQ3 14 TeV LHC 下的高非弹性截面和强子（如 B、D、π⁰、η）的前向产生，如何实现轻量、弱耦合粒子的高产额？
• RQ4 FASER 的设计及其对备用探测器组件的使用，在实现高灵敏度的同时，能在多大程度上实现低成本和快速建设？
• RQ5 FASER 2 作为计划中的更大规模后续实验，在 HL-LHC 时代预期的灵敏度提升和运行挑战是什么？

主要发现

• FASER 的设计用于探测 LHC 碰撞远向前方区域产生的长寿命、弱相互作用粒子的衰变，其衰变体积仅为 0.047 m³，占地面积紧凑（1 m × 1 m × 5 m）。
• 该实验预计在 LHC 运行 3（2021–2023）期间收集数据，建设与安装计划在长停机期 2（2019–2020）期间进行。
• FASER 的总建设成本估计约为 800 kCHF，其中约 2 MCHF 为私人资助，约 300 kCHF 为 CERN 土建成本，实现了以极低成本开展世界领先物理研究。
• 探测器利用了 ATLAS 的备用 SCT 模块和 LHCb 的量能器模块，显著降低了成本并加速了部署。
• FASER 2 是一个更大规模的后续实验，衰变体积约 10 m³，计划于长停机期 3（2024–2026）部署，预计在 HL-LHC 时代（2026–2035）运行，其成本估计为 FASER 的 5–10 倍。
• 与主要 LHC 实验相比，计算和存储需求可忽略不计，由于采用快速模拟和低占用率，模拟与重建仅需极少的 CPU 时间。