La Commission de la recherche du CERN a approuvé aujourd’hui une nouvelle expérience auprès du LHC, qui s’intéressera aux particules légères interagissant faiblement.  L’expérience FASER (Forward Search Experiment) complétera le programme de physique de l’Organisation en élargissant son potentiel de découverte à plusieurs nouvelles particules. Certaines d’entre elles sont associées à la matière noire, un type de matière hypothétique qui, n’étant pas sensible à la force électromagnétique, ne peut émettre de la lumière, ce qui la rend difficile à détecter. Les données astrophysiques montrent que la matière noire représente environ 27 % de l’Univers ; elle n’a toutefois jamais été observée ni étudiée en laboratoire. En raison de l’intérêt croissant pour les particules qui restent encore à découvrir, notamment les particules à longue durée de vie et celles de la matière noire, de nouvelles expériences ont été proposées pour accroître le potentiel scientifique du complexe d’accélérateurs et de l’infrastructure du CERN dans le cadre de l’étude sur la physique au-delà des collisionneurs (étude PBC), sous l’égide de laquelle est menée l’expérience FASER. « Cette expérience innovante contribue à diversifier le programme de physique des collisionneurs tels que le LHC et permet d’aborder sous un angle différent les questions restées sans réponse sur la physique des particules », explique Mike Lamont, co-coordinateur du groupe d’étude PBC. Les quatre détecteurs principaux du LHC ne sont pas en mesure de détecter les particules légères interagissant faiblement qui pourraient être produites parallèlement à la ligne de faisceau. Celles-ci pourraient parcourir des centaines de mètres sans interagir avec de la matière, avant de se transformer en particules connues et détectables, comme des électrons et des positons. Il se peut que de telles particules exotiques échappent aux détecteurs existants le long des lignes de faisceau et passent ainsi inaperçues. C’est la raison pour laquelle le détecteur FASER sera placé sur la trajectoire du faisceau, 480 mètres en aval du point d’interaction d’ATLAS. Alors que la trajectoire des protons des faisceaux sera incurvée par les aimants du LHC, les particules légères interagissant très faiblement poursuivront leur route en ligne droite, et leurs « produits de désintégration » pourront alors être détectés par FASER. Les nouvelles particules potentielles resteraient fortement alignées avec le faisceau, se dispersant très peu, ce qui permettrait à un détecteur relativement petit et peu coûteux de les rechercher avec un haut degré de sensibilité. La longueur totale du détecteur est inférieure à cinq mètres et sa principale structure cylindrique a un rayon de 10 centimètres. Il sera installé dans un tunnel latéral le long d’une ligne de transfert inutilisée qui relie le LHC à son injecteur, le Supersynchrotron à protons. Pour que FASER puisse être construit rapidement et à moindre coût, des pièces de rechange de détecteurs, fournies gracieusement par les expériences ATLAS et LHCb, seront utilisées. La collaboration responsable de sa construction et des futures expériences, qui regroupe 16 instituts, est soutenue par la Fondation Heising-Simons et la Fondation Simons. L’objectif de FASER sera de rechercher une classe de particules hypothétiques, en particulier des « photons noirs », qui sont associés à la matière noire, ainsi que des neutralinos et d’autres particules. L’expérience sera installée au cours de l’actuel second long arrêt du LHC et sera prête à acquérir des données à partir de la troisième période d’exploitation du collisionneur, entre 2021 et 2023. « C’est vraiment formidable que l’expérience FASER puisse être installée au CERN. De plus, la collaboration a été mise sur pied en un temps record et nous avons tous hâte d’enregistrer nos premières données lorsque le LHC redémarrera en 2021», explique Jamie Boyd, co-porte-parole de l’expérience FASER. « FASER est un projet intéressant en ce qu’il aborde un point particulier de la quête d’une physique au-delà du Modèle standard ; je suis heureux de le voir se réaliser avec autant d’efficacité », ajoute Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique du CERN.

A propos du CERN
Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Située de part et d’autre de la frontière franco-suisse, l’Organisation a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre, la Serbie et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. L’Inde, la Lituanie, le Pakistan, la Turquie et l’Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, le Japon, le JINR, l’UNESCO et l’Union européenne ont actuellement le statut d’observateur.

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FASER: CERN approves new experiment to look for long-lived, exotic particles

Today, the CERN Research Board approved a new experiment designed to look for light and weakly interacting particles at the LHC. FASER, or the Forward Search Experiment, will complement CERN’s ongoing physics programme, extending its discovery potential to several new particles. Some of these sought-after particles are associated with dark matter, which is a hypothesised kind of matter that does not interact with the electromagnetic force and consequently cannot be directly detected using emitted light. Astrophysical evidence shows that dark matter makes up about 27% of the universe, but it has never been observed and studied in a laboratory. With an expanding interest in undiscovered particles, particularly long-lived particles and dark matter, new experiments have been proposed to expand the scientific potential of CERN’s accelerator complex and infrastructure as part of the Physics Beyond Collider (PBC) study, under whose aegis FASER operates. “This novel experiment helps diversify the physics programme of colliders such as the LHC, and allows us to address unanswered questions in particle physics from a different perspective,” explains Mike Lamont, co-coordinator of the PBC study group. The four main LHC detectors are not suited for detecting the light and weakly interacting particles that might be produced parallel to the beam line. They may travel hundreds of metres without interacting with any material before transforming into known and detectable particles, such as electrons and positrons. The exotic particles would escape the existing detectors along the current beam lines and remain undetected. FASER will therefore be located along the beam trajectory 480 metres downstream from the interaction point within ATLAS. Although the protons in the particle beams will be bent by magnets around the LHC, the light, very weakly interacting particles will continue along a straight line and their “decay products” can be spotted by FASER. The potential new particles would be very collimated with the beam, spreading out very little, therefore allowing a relatively small and inexpensive detector to perform highly sensitive searches. The detector’s total length is under 5 metres and its core cylindrical structure has a radius of 10 centimetres. It will be installed in a side tunnel along an unused transfer line which links the LHC to its injector, the Super Proton Synchrotron. To allow FASER to be constructed in a quick and affordable way, it will use spare detector parts kindly donated from the ATLAS and LHCb experiments. The collaboration of 16 institutes that is building the detector and will carry out the experiments is supported by the Heising-Simons Foundation and the Simons Foundation. FASER will search for a suite of hypothesised particles including so-called “dark photons”, particles which are associated with dark matter, neutralinos and others. The experiment will be installed during the ongoing Long Shutdown 2 and start taking data from LHC’s Run 3 between 2021 and 2023. “It is very exciting to have FASER approved for installation at CERN. It is amazing how the collaboration has come together so quickly and we are looking forward to recording our first data when the LHC starts up again in 2021,” says Jamie Boyd, co-spokesperson of the FASER experiment. FASER is a neat physics proposal that addresses a particular aspect in the search for physics beyond the Standard Model and I am pleased to see it being implemented so efficiently,” adds Eckhard Elsen, CERN’s Director for Research and Computing.  

About CERN
CERN, the European Organization for Nuclear Research, is one of the world’s leading laboratories for particle physics. The Organization is located on the French-Swiss border, with its headquarters in Geneva. Its Member States are: Austria, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Israel, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and United Kingdom. Cyprus, Serbia and Slovenia are Associate Member States in the pre-stage to Membership. India, Lithuania, Pakistan, Turkey and Ukraine are Associate Member States. The European Union, Japan, JINR, the Russian Federation, UNESCO and the United States of America currently have Observer status.

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