The FASER experiment at the Large Hadron Collider

Dit overzichtspaper presenteert de stand van zaken van het FASER-experiment aan de LHC tot begin 2026, inclusief details over het detectorontwerp, de werking, de prestaties, de eerste resultaten op het gebied van licht zwak-interagerende deeltjes en collider-neutrino's, evenals opgevoerde upgrades en toekomstplannen.

De kern

De FASER-experiment: De "Achterdeur" van deeltjesversneller

Stel je voor dat de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN een enorme, supersnelle auto-ronde is. Twee auto's (deeltjesbundels) botsen met ongelofelijke kracht tegen elkaar. Meestal kijken wetenschappers naar de puinresten die direct bij het ontploffingspunt (de "crash") uitvliegen. Maar wat als er een paar heel kleine, onzichtbare spookjes zijn die niet direct ontploffen, maar juist heel ver weg, achter de muur van de garage, verschijnen?

Dat is precies wat het FASER-experiment doet. Het is een klein, slim detector-ontwerp dat 480 meter verderop in een oude tunnel is geplaatst, precies op de lijn waar die spookjes naartoe zouden vliegen.

Hier is hoe het werkt, vertaald in alledaagse taal:

1. De Locatie: De "Spookjacht" in de Tunnel

De LHC is een ring van 27 kilometer. Waar de botsingen plaatsvinden (bij het ATLAS-experiment), is het chaos. FASER staat echter 480 meter verderop in een tunnel die normaal gesproken leeg was.

• De Analogie: Stel je voor dat je in een stadion staat waar twee auto's tegen elkaar knallen. De meeste mensen kijken naar de rook en de scherven die direct omhoog vliegen. FASER staat echter 480 meter verderop, achter een dikke muur van rots. Alleen de allerluchtste, snelste en meest "sluwe" deeltjes die niet tegen de muur botsen, kunnen die muur doorboren en bij FASER aankomen. Alles wat zwaar is of snel remt, stopt al eerder.

2. Het Doel: Twee Soorten Schatten

FASER zoekt naar twee dingen:

A. De "Onzichtbare Gasten" (Nieuwe Deeltjes)
De wetenschappers hopen op deeltjes die we nog nooit hebben gezien, zoals "donkere fotonen" of "axion-achtige deeltjes".

• De Analogie: Stel je voor dat je een feestje hebt waar gasten binnenkomen. De meeste gasten (de bekende deeltjes) blijven in de kamer. Maar er zijn een paar gasten die door de muren kunnen lopen. Ze lopen 480 meter door de muur en komen pas bij FASER weer naar buiten. Als ze daar plotseling in twee stukken breken (verval), zien we een flits van licht. Dat is het bewijs dat er een nieuw deeltje was.
• Het resultaat: Tot nu toe hebben ze geen nieuwe deeltjes gevonden, maar ze hebben wel een heel groot gebied van de "kaart" afgeperkt waar deze deeltjes niet kunnen zitten. Dat is ook belangrijk!

B. De "Hoge-Energie Neutrino's" (De Geesten)
Neutrino's zijn de "geesten" van de deeltjeswereld. Ze hebben geen lading en interageren bijna met niets. Ze vliegen door de aarde alsof het lucht is.

• De Analogie: Stel je voor dat je een regenbui hebt, maar in plaats van waterdruppels zijn het spookjes die door je huis heen vliegen. Normaal gesproken zijn deze spookjes te zwak om te zien. Maar bij de LHC worden ze met een enorme kracht (TeV-energie) geschoten. FASER is de eerste detector ter wereld die deze "supersnelle spookjes" van een deeltjesversneller echt kan zien en tellen.
• Het resultaat: Ze hebben duizenden van deze botsingen gezien. Ze hebben zelfs voor het eerst gezien hoe een elektron-neutrino (een heel zeldzame soort) een botsing veroorzaakt. Dit helpt ons te begrijpen hoe deeltjes zich gedragen bij extreme snelheden.

3. De Detector: Een Slimme Vals

Hoe vang je deze geesten? FASER is opgebouwd als een slimme val:

1. De Poortwachters (Scintillatoren): Voordat iets de detector binnenkomt, moet het door een reeks lichtgevende panelen. Als er een gewoon, zwaar deeltje (zoals een muon) binnenkomt, gaat het alarm af en wordt het geweigerd. Alleen de "geesten" (neutrino's) of de "spookjes" (nieuwe deeltjes) die niet reageren, komen binnen.
2. De Magneet: Zodra iets binnen is, wordt het door een magneet getrokken. Als het een geladen deeltje is, buigt het af. Dit helpt om te zien wat voor soort deeltje het is.
3. De Emulsie (De Filmrol): Voor de neutrino's gebruiken ze een heel speciaal deel: FASERν. Dit is een stapel van 730 platen van wolfraam (een zwaar metaal) met daarop heel dunne films, net als oude fotofilm.
   • De Analogie: Omdat neutrino's zo moeilijk te vangen zijn, gebruiken ze een enorme stapel metaal als "net". Als een neutrino ergens in die stapel botst, laat het een heel klein spoor achter op de film. Na de run halen ze de films eruit, ontwikkelen ze (zoals in een donkere kamer) en scannen ze met robots. Ze zoeken naar het spoor van een botsing die eruitziet als een "V" of een knikje in het spoor.

4. De Uitdagingen en Oplossingen

• De Ruimte: De tunnel is smal. De detector moet precies in het midden staan, binnen 10 centimeter nauwkeurigheid, anders missen ze de deeltjes.
• De Straling: Het is er stralingsarm, maar niet helemaal. De elektronica moet dus robuust zijn.
• De "Emulsie" Problemen: De films vullen zich snel met sporen van andere deeltjes. Ze moeten dus elke paar weken worden vervangen. Dit is als het vervangen van een filmrol in een camera, maar dan met zware metalen platen in een tunnel onder de grond.

5. Wat betekent dit voor de toekomst?

FASER is een bewijs dat je niet altijd een gigantisch, duur experiment nodig hebt om grote ontdekkingen te doen. Het is klein, goedkoop en slim.

• Nu: Ze hebben al de eerste neutrino's van een versneller gezien en de grenzen van nieuwe deeltjes theorieën verschoven.
• Toekomst: Ze plannen upgrades voor de komende jaren. Ze willen nog grotere "netten" (calorimeters) bouwen en misschien zelfs een volledig nieuw lab (de "Forward Physics Facility") bouwen om de "achterdeur" van het universum nog beter te kunnen bekijken.

Kortom: FASER is de kleine, slimme speurhond die 480 meter verderop wacht, terwijl de grote honden (de andere experimenten) naar de directe crash kijken. En tot nu toe heeft deze speurhond al bewezen dat er inderdaad iets interessants gebeurt in de hoek waar niemand anders kijkt.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Het FASER-experiment bij de LHC

1. Het Probleem en de Wetenschappelijke Motivatie
De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN produceert bij botsingen een enorme hoeveelheid deeltjes. De meeste detectoren (zoals ATLAS en CMS) zijn gericht op de centrale regio van botsingen. Echter, er is een aanzienlijke flux van licht, zwak interactie vertonende nieuwe deeltjes (zoals donkere fotonen en axion-achtige deeltjes) en zeer hoge-energie neutrino's die in de "voorwaartse" richting (langs de straalas) worden geproduceerd.

• Nieuwe deeltjes: Veel theorieën buiten het Standaardmodel (BSM) voorspellen deeltjes die lang genoeg leven om 480 meter door de rotsen te reizen voordat ze in een detectievolume vervallen.
• Neutrino's: Hoewel er miljarden neutrino's bij de LHC worden geproduceerd, waren er tot nu toe geen waarnemingen van neutrino-interacties afkomstig van een deeltjesversneller. De flux is extreem hoog maar zeer gebundeld, wat een specifieke detector vereist.

2. Methodologie en Detectorontwerp
FASER (ForwArd Search ExpeRiment) is geïnstalleerd in de TI12-tunnel, 480 meter stroomafwaarts van het ATLAS-interactiepunt (IP1), perfect uitgelijnd met de straalas. De locatie biedt ongeveer 100 meter rots als afscherming tegen achtergronddeeltjes.

De detector bestaat uit twee hoofdcomponenten:

• De Elektronische Detector:
  • Veto-systeem: Scintillatortellers aan de ingang om inkomende geladen deeltjes (voornamelijk muonen) te blokkeren.
  • Vervalvolume: Een gebied omgeven door drie permanente dipoolmagneten (0,57 T) die dienen om geladen deeltjes uit vervallen van BSM-deeltjes te scheiden en hun lading te meten.
  • Tracker: Drie stations met silicium-stripsensoren (spare modules van ATLAS) voor precieze spoorreconstructie.
  • Calorimeter: Elektromagnetische calorimeter (spare modules van LHCb) voor energiemetingen tot in de TeV-schaal.
  • Triggersysteem: Scintillatoren en een preshower-systeem (geüpgraded in 2025 met silicium-pixels) om signalen te selecteren.
• FASERν (Emulsie-detector):
  • Een passieve detector bestaande uit 730 platen wolfraam (1,1 mm dik) afgewisseld met emulsiefilms.
  • Functie: Het wolfraam dient als doelwit voor neutrino-interacties; de emulsies registreren de sporen van deeltjes met sub-micron resolutie.
  • Omdat het een passieve detector is, moet deze periodiek worden vervangen (na ~30 fb⁻¹ geïntegreerde luminositeit) en vervolgens in het donker ontwikkeld en gescand worden in Japan.

3. Belangrijkste Bijdragen en Operationele Prestaties

• Snelheid en Kosten: Het experiment is ontworpen, gebouwd en geïnstalleerd in recordtijd tijdens de tweede lange stilstand (LS2) van de LHC, met gebruikmaking van spare-onderdelen en een robuust, kostenefficiënt ontwerp.
• Operationele Stabiliteit: FASER heeft meer dan 97% van de geleverde luminositeit (tot 311 fb⁻¹ eind 2025) succesvol geregistreerd. Het systeem werkt met een minimale bemanning en een hoog niveau van automatisering.
• Upgrades:
  • Calorimeter: Een upgrade in 2024 splitste het lichtsignaal over twee PMTs (laag- en hoog-energie) om het dynamisch bereik te vergroten (van MIPs tot TeV).
  • Preshower: In 2025 werd een hoge-granulariteit silicium/wolfraam-preshower geïnstalleerd om dicht bij elkaar liggende fotonen (van ALP-vervallen) te kunnen onderscheiden.

4. Resultaten

A. Zoeken naar Nieuwe Deeltjes (BSM)

• Donkere Fotonen (A'): FASER heeft geen donkere fotonen gevonden, maar heeft de uitsluitingsgrenzen aanzienlijk aangescherpt. Met 177 fb⁻¹ data (2022-2024) zijn donkere fotonen uitgesloten in het massa-bereik van 10-200 MeV en koppelingssterktes (ε) van 4×10⁻⁶ tot 2×10⁻⁴. Dit dekt een gebied dat relevant is voor de donkere materie-relicdichtheid.
• Axion-achtige Deeltjes (ALPs): Er is gezocht naar ALPs die vervallen in twee fotonen. Er werd één gebeurtenis waargenomen, consistent met de achtergrondverwachting. Dit leidde tot nieuwe uitsluitingsgrenzen voor ALP-modellen die koppelen aan SU(2)L-bosonen en fotonen.

B. Neutrinofysica

• Eerste Waarneming: In maart 2023 werd voor het eerst in de geschiedenis waargenomen dat neutrino's worden geproduceerd in een deeltjesversneller (met 150 waargenomen νμ-interacties).
• Elektron-neutrino's: In maart 2026 werd voor het eerst de interactie van collider-elektron-neutrino's (νe) waargenomen met een elektronische detector (5.5σ significantie).
• Werkingsdoorsneden: FASER heeft voor het eerst de werkingsdoorsnede (cross-section) van neutrino's gemeten in het TeV-energiebereik (tot enkele TeV), een regio die eerder onbestudeerd was.
• Emulsie-resultaten: De FASERν-emulsiedetector heeft honderden neutrino-interactievertices geïdentificeerd, waaronder νe, νμ en aanwijzingen voor ντ. De gemeten werkingsdoorsneden komen overeen met het Standaardmodel.
• Hadronproductie: De neutrino-resultaten leveren nieuwe beperkingen op voor modellen van voorwaartse hadronproductie (zoals EPOS-LHC, SIBYLL), wat cruciaal is voor het interpreteren van data van kosmische stralingsexperimenten.

5. Betekenis en Toekomst
De FASER-experimenten hebben bewezen dat het mogelijk is om licht, zwak interactie vertonende deeltjes en hoge-energie neutrino's te bestuderen in de voorwaartse regio van de LHC.

• Wetenschappelijke Impact: Het experiment opent een nieuw venster op deeltjesfysica dat onbereikbaar was voor centrale detectoren, met name voor de zoektocht naar donkere sector-deeltjes en het testen van het Standaardmodel bij extreem hoge energieën.
• Toekomst (Run 4 en HL-LHC): Voor de komende LHC-run (Run 4) en de High-Luminosity LHC (HL-LHC) worden upgrades overwogen, waaronder de installatie van de Forward Physics Facility (FPF). Dit zou een dedicated faciliteit zijn met meerdere experimenten om de sensitiviteit voor zowel BSM-fysica als neutrino-fysica verder te maximaliseren.

Kortom, FASER is een succesvol voorbeeld van een compact, doelgericht experiment dat fundamentele doorbraken heeft geboekt in zowel de zoektocht naar nieuwe fysica als in de karakterisering van neutrino's.