Most embeddings of the Standard Model into a more unified theory, in particular the ones based on supergravity or superstrings, predict the existence of a hidden sector of particles which have only very weak interactions with the visible sector Standard Model particles. Some of these exotic particle candidates (such as e.g. "axions", "axion-like particles" and "hidden U(1) gauge bosons") may be very light, with masses in the sub-eV range, and have very weak interactions with photons. Correspondingly, these very weakly interacting sub-eV particles (WISPs) may lead to observable effects in experiments (as well as in astrophysical and cosmological observations) searching for light shining through a wall, for changes in laser polarisation, for non-linear processes in large electromagnetic fields and for deviations from Coulomb's law. We present the physics case and a status report of this emerging low-energy frontier of fundamental physics.

Very weakly interacting slim particles (WISPs), such as axion-like particles (ALPs) or hidden photons (HPs), may be non-thermally produced via the misalignment mechanism in the early universe and survive as a cold dark matter population until today. We find that, both for ALPs and HPs whose dominant interactions with the standard model arise from couplings to photons, a huge region in the parameter spaces spanned by photon coupling and ALP or HP mass can give rise to the observed cold dark matter. Remarkably, a large region of this parameter space coincides with that predicted in well motivated models of fundamental physics. A wide range of experimental searches -- exploiting haloscopes (direct dark matter searches exploiting microwave cavities), helioscopes (searches for solar ALPs or HPs), or light-shining-through-a-wall techniques -- can probe large parts of this parameter space in the foreseeable future.

This paper describes the physics case for a new fixed target facility at CERN SPS. The SHiP (search for hidden particles) experiment is intended to hunt for new physics in the largely unexplored domain of very weakly interacting particles with masses below the Fermi scale, inaccessible to the LHC experiments, and to study tau neutrino physics. The same proton beam setup can be used later to look for decays of tau-leptons with lepton flavour number non-conservation, and to search for weakly-interacting sub-GeV dark matter candidates. We discuss the evidence for physics beyond the standard model and describe interactions between new particles and four different portals—scalars, vectors, fermions or axion-like particles. We discuss motivations for different models, manifesting themselves via these interactions, and how they can be probed with the SHiP experiment and present several case studies. The prospects to search for relatively light SUSY and composite particles at SHiP are also discussed. We demonstrate that the SHiP experiment has a unique potential to discover new physics and can directly probe a number of solutions of beyond the standard model puzzles, such as neutrino masses, baryon asymmetry of the Universe, dark matter, and inflation.

We explore constraints on gauge bosons of a weakly coupled $U(1)_{B-L}$, $U(1)_{L_\mu-L_e}$, $U(1)_{L_e-L_\tau}$ and $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$. To do so we apply the full constraining power of experimental bounds derived for a hidden photon of a secluded $U(1)_{X}$ and translate them to the considered gauge groups. In contrast to the secluded hidden photon that acquires universal couplings to charged Standard Model particles through kinetic mixing with the photon, for these gauge groups the couplings to the different Standard Model particles can vary widely. We take finite, computable loop-induced kinetic mixing effects into account, which provide additional sensitivity in a range of experiments. In addition, we collect and extend limits from neutrino experiments as well as astrophysical and cosmological observations and include new constraints from white dwarf cooling. We discuss the reach of future experiments in searching for these gauge bosons.

The International Axion Observatory (IAXO) will be a forth generation axion helioscope. As its primary physics goal, IAXO will look for axions or axion-like particles (ALPs) originating in the Sun via the Primakoff conversion of the solar plasma photons. In terms of signal-to-noise ratio, IAXO will be about 4–5 orders of magnitude more sensitive than CAST, currently the most powerful axion helioscope, reaching sensitivity to axion-photon couplings down to a few × 10−12 GeV−1 and thus probing a large fraction of the currently unexplored axion and ALP parameter space. IAXO will also be sensitive to solar axions produced by mechanisms mediated by the axion-electron coupling gae with sensitivity — for the first time — to values of gae not previously excluded by astrophysics. With several other possible physics cases, IAXO has the potential to serve as a multi-purpose facility for generic axion and ALP research in the next decade. In this paper we present the conceptual design of IAXO, which follows the layout of an enhanced axion helioscope, based on a purpose-built 20 m-long 8-coils toroidal superconducting magnet. All the eight 60cm-diameter magnet bores are equipped with focusing x-ray optics, able to focus the signal photons into ∼ 0.2 cm2 spots that are imaged by ultra-low-background Micromegas x-ray detectors. The magnet is built into a structure with elevation and azimuth drives that will allow for solar tracking for ∼ 12 h each day.

Axion-like particles (ALPs), relatively light (pseudo-)scalars coupled to two gauge bosons, are a common feature of many extensions of the Standard Model. Up to now there has been a gap in the sensitivity to such particles in the MeV to 10 GeV range. In this note we show that LEP data on $Z\to\gamma\gamma$ decays provides significant constraints in this range (and indeed up to the $Z$-mass). We also discuss the sensitivities of LHC and future colliders. Particularly the LHC shows promising sensitivity in searching for a pseudo-scalar with $4 \lesssim m_a \lesssim 60$ GeV in the channel $pp \to 3 \gamma$ with $m_{3\gamma}\approx m_{Z}$.

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.

Abstract With the establishment and maturation of the experimental programs searching for new physics with sizeable couplings at the LHC, there is an increasing interest in the broader particle and astrophysics community for exploring the physics of light and feebly-interacting particles as a paradigm complementary to a New Physics sector at the TeV scale and beyond. FIPs 2020 has been the first workshop fully dedicated to the physics of feebly-interacting particles and was held virtually from 31 August to 4 September 2020. The workshop has gathered together experts from collider, beam dump, fixed target experiments, as well as from astrophysics, axions/ALPs searches, current/future neutrino experiments, and dark matter direct detection communities to discuss progress in experimental searches and underlying theory models for FIPs physics, and to enhance the cross-fertilisation across different fields. FIPs 2020 has been complemented by the topical workshop “Physics Beyond Colliders meets theory”, held at CERN from 7 June to 9 June 2020. This document presents the summary of the talks presented at the workshops and the outcome of the subsequent discussions held immediately after. It aims to provide a clear picture of this blooming field and proposes a few recommendations for the next round of experimental results.

With their high beam energy and intensity, existing and near-future proton beam dumps provide an excellent opportunity to search for new very weakly coupled particles in the MeV to GeV mass range. One particularly interesting example is a so-called axion-like particle (ALP), i.e. a pseudoscalar coupled to two photons. The challenge in proton beam dumps is to reliably calculate the production of the new particles from the interactions of two composite objects, the proton and the target atoms. In this work we argue that Primakoff production of ALPs proceeds in a momentum range where production rates and angular distributions can be determined to sufficient precision using simple electromagnetic form factors. Reanalysing past proton beam dump experiments for this production channel, we derive novel constraints on the parameter space for ALPs. We show that the NA62 experiment at CERN could probe unexplored parameter space by running in ‘dump mode’ for a few days and discuss opportunities for future experiments such as SHiP.

Establishing the axion as the dark matter (DM) particle after a haloscope discovery typically requires follow-up experiments to break the degeneracy between the axion’s coupling to photons and its local DM abundance. Given that a discovery would justify more significant investments, we explore the prospects of ambitious light-shining-through-a-wall (LSW) setups to probe the QCD axion band. Leveraging the excellent mass determination in haloscopes, we show how to design LSW experiments with lengths on the order of 100 km and suitably aligned magnetic fields with apertures of around 1 m to reach well-motivated axion models across up to four orders of magnitude in mass. Beyond presenting a concrete plan for postdiscovery experimental efforts, we briefly discuss complementary experiments and future directions beyond LSW experiments. Published by the American Physical Society 2025