New physics has traditionally been expected in the high-$p_T$ region at high-energy collider experiments. If new particles are light and weakly-coupled, however, this focus may be completely misguided: light particles are typically highly concentrated within a few mrad of the beam line, allowing sensitive searches with small detectors, and even extremely weakly-coupled particles may be produced in large numbers there. We propose a new experiment, ForwArd Search ExpeRiment, or FASER, which would be placed downstream of the ATLAS or CMS interaction point (IP) in the very forward region and operated concurrently there. Two representative on-axis locations are studied: a far location, $400~\text{m}$ from the IP and just off the beam tunnel, and a near location, just $150~\text{m}$ from the IP and right behind the TAN neutral particle absorber. For each location, we examine leading neutrino- and beam-induced backgrounds. As a concrete example of light, weakly-coupled particles, we consider dark photons produced through light meson decay and proton bremsstrahlung. We find that even a relatively small and inexpensive cylindrical detector, with a radius of $\sim 10~\text{cm}$ and length of $5-10~\text{m}$, depending on the location, can discover dark photons in a large and unprobed region of parameter space with dark photon mass $m_{A'} \sim 10~\text{MeV} - 1~\text{GeV}$ and kinetic mixing parameter $\epsilon \sim 10^{-7} - 10^{-3}$. FASER will clearly also be sensitive to many other forms of new physics. We conclude with a discussion of topics for further study that will be essential for understanding FASER's feasibility, optimizing its design, and realizing its discovery potential.

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 and 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 briefly describe the FASER detector layout and the status of potential backgrounds. We then present the sensitivity reach for FASER for a large number of long-lived particle models, updating previous results to a uniform set of detector assumptions, and analyzing new models. In particular, we consider all of the renormalizable portal interactions, leading to dark photons, dark Higgs bosons, and heavy neutral leptons (HNLs); light B-L and $L_i - L_j$ gauge bosons; axion-like particles (ALPs) that are coupled dominantly to photons, fermions, and gluons through non-renormalizable operators; and pseudoscalars with Yukawa-like couplings. We find that FASER and its follow-up, FASER 2, have a full physics program, with discovery sensitivity in all of these models and potentially far-reaching implications for particle physics and cosmology.

Abstract The Physics Beyond Colliders initiative is an exploratory study aimed at exploiting the full scientific potential of the CERN’s accelerator complex and scientific infrastructures through projects complementary to the LHC and other possible future colliders. These projects will target fundamental physics questions in modern particle physics. This document presents the status of the proposals presented in the framework of the Beyond Standard Model physics working group, and explore their physics reach and the impact that CERN could have in the next 10–20 years on the international landscape.

We provide an overview of the status of Monte-Carlo event generators for high-energy particle physics. Guided by the experimental needs and requirements, we highlight areas of active development, and opportunities for future improvements. Particular emphasis is given to physics models and algorithms that are employed across a variety of experiments. These common themes in event generator development lead to a more comprehensive understanding of physics at the highest energies and intensities, and allow models to be tested against a wealth of data that have been accumulated over the past decades. A cohesive approach to event generator development will allow these models to be further improved and systematic uncertainties to be reduced, directly contributing to future experimental success. Event generators are part of a much larger ecosystem of computational tools. They typically involve a number of unknown model parameters that must be tuned to experimental data, while maintaining the integrity of the underlying physics models. Making both these data, and the analyses with which they have been obtained accessible to future users is an essential aspect of open science and data preservation. It ensures the consistency of physics models across a variety of experiments.

The first results of the study of high-energy electron neutrino (νe) and muon neutrino (νμ) charged-current interactions in the FASERν emulsion-tungsten detector of the FASER experiment at the LHC are presented. A 128.8 kg subset of the FASERν volume was analyzed after exposure to 9.5  fb−1 of s=13.6  TeV pp data. Four (eight) νe (νμ) interaction candidate events are observed with a statistical significance of 5.2σ (5.7σ). This is the first direct observation of νe interactions at a particle collider and includes the highest-energy νe and νμ ever detected from an artificial source. The interaction cross section per nucleon σ/Eν is measured over an energy range of 560–1740 GeV (520–1760 GeV) for νe (νμ) to be (1.2−0.7+0.8)×10−38  cm2 GeV−1 [(0.5±0.2)×10−38  cm2 GeV−1], consistent with standard model predictions. These are the first measurements of neutrino interaction cross sections in those energy ranges. Published by the American Physical Society 2024

The Forward Search Experiment (FASER) at CERN’s Large Hadron Collider (LHC) has recently directly detected the first collider neutrinos. Neutrinos play an important role in all FASER analyses, either as signal or background, and it is therefore essential to understand the neutrino event rates. In this study, we update previous simulations and present prescriptions for theoretical predictions of neutrino fluxes and cross sections, together with their associated uncertainties. With these results, we discuss the potential for possible measurements that could be carried out in the coming years with the FASER neutrino data to be collected in LHC Run 3 and Run 4. Published by the American Physical Society 2024