探索量子宇宙：粒子物理学创新与发现之路

近日，美国粒子物理领域科学家发布未来10年战略规划报告，报告题为：《探索量子宇宙：粒子物理学创新与发现之路》（ExploringtheQuantumUniverse:PathwaystoInnovationandDiscoveryinParticlePhysics）。该报告由粒子物理项目优先小组（ParticlePhysicsProjectPrioritizationPanel，P5）编写，并得到了联邦任命的美国资助研究机构科学家顾问小组高能物理咨询小组（HEPAP）的批准。P5报告回应了美国能源部向专家小组提出的两种预算方案。在更有利的情况下，2022年签署成为法律的《芯片和科学法案》将提供最初的增长，然后HEP预算将增加3%。在不太有利的情况下，不会有最初的增长，然后增长2%，考虑到通货膨胀，这实际上代表了预算的下降。该小组还审查了由国家科学基金会资助的研究。报告详细的介绍了他们对未来资助的建议，内容涵盖μ子、中微子、暗物质和希格斯玻色子等研究领域。在能源部的两种预算方案中，该小组建议将资金用于未来五个主要项目，预算超过2.5亿美元。首先，他们建议完成CMB-S4，这是一项由加州劳伦斯伯克利国家实验室领导的实验，将通过安装在南极和智利的12台望远镜的集体力量观测宇宙微波背景——来自宇宙最早时刻的光。其次，该小组建议对美国主办的深层地下中微子实验（DUNE）进行一系列重新设想的增强，该实验由伊利诺伊州的费米国家加速器实验室领导，南达科他州的桑福德地下研究实验室正在建设中。在更有利的预算情况下，该报告建议将为实验提供中微子的费米实验室加速器升级到2.1兆瓦的功率，并升级费米实验室靠近中微子束的探测器。在这两种预算方案中，报告建议在南达科他州建造一个新的远探测器，使DUNE探测器的总数达到三个。第三，该报告建议美国提供研发和贡献，与目前美国对大型强子对撞机和高亮度大型强子对撞器的支持一样，用于未来在国外建立希格斯粒子工厂。希格斯工厂将对最近发现的基本粒子希格斯玻色子进行精确研究。例如，美国的捐款可以用于欧洲欧洲核子研究中心拟建的未来环形对撞机，或用于日本拟建的国际线性对撞机。接下来，P5小组建议建立一个第三代暗物质直接探测实验，最好在美国进行，以搜索暗物质粒子，包括最受欢迎的候选者，称为WIMP。此外，P5报告建议建造IceCube-Gen2，这是对美国国家科学基金会资助的南极冰立方实验的升级，将有助于中微子研究和暗物质的间接搜索。在任何预算情况下，该小组都建议——以比追求任何新项目更高的优先级——完成当前的建设项目，并继续进行正在进行的实验。主要项目包括LHC的高亮度升级；DUNE实验的第一阶段及其相关的PIP-II加速器升级；以及智利的维拉·C·鲁宾天文台。中等规模的项目包括中微子实验NOvA、SBN和T2K；暗物质实验DarkSide-20k、LZ、SuperCDMS和XENONnT；暗能量调查DESI；以及风味物理实验BelleII、LHCb和Mu2e。P5的英文全称ParticlePhysicsProjectPrioritizationPanels，即“粒子物理学项目优先级小组”，由美国能源部和美国国家科学基金会在2004年联合组建。