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.

Recently a 6.8$\sigma$ anomaly has been reported in the opening angle and invariant mass distributions of $e^+ e^-$ pairs produced in $^8\text{Be}$ nuclear transitions. The data are explained by a 17 MeV vector gauge boson $X$ that is produced in the decay of an excited state to the ground state, $^8\text{Be}^* \to {}^8\text{Be} \, X$, and then decays through $X \to e^+ e^-$. The $X$ boson mediates a fifth force with a characteristic range of 12 fm and has milli-charged couplings to up and down quarks and electrons, and a proton coupling that is suppressed relative to neutrons. The protophobic $X$ boson may also alleviate the current 3.6$\sigma$ discrepancy between the predicted and measured values of the muon's anomalous magnetic moment.