物理学家公布探索量子宇宙的10年计划

美国粒子物理学家最近推荐了一份他们希望将接收联邦资助的重大研究项目清单。

HARD SCIENCE — DECEMBER 9, 2023

Don Lincoln

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关键要点

 粒子物理项目优先小组已经发布了一份报告，详细它的对未来五到十年应被资助的研究的建议。

 这些建议涵盖将探究诸如μ介子、中微子、暗物质和希格斯玻色子等现象的研究。

虽然这些建议不正在约束，但它们反映美国粒子物理学界的判断并代表物理学研究中一些最创造性的想法。

在多年的审查后，美国粒子物理学界已经宣布了它的跨未来五到十年的研究愿景。如果被资助这些不同的项目可以帮助研究人员发展一个自然的法则的更好理解。

这些建议被发表在一份叫“探索量子宇宙：在粒子物理学中创新和发现的途径”的报告中。它由粒子物理学项目优先小组（P5）撰写，该小组是高能物理学顾问小组（HEPAP）的一个子小组，并将被提交给美国能源部科学办公室和国家科学基金会等资助机构，来指导他们的未来十年的资助决策。

粒子物理学的未来

粒子物理学家研究在实验室中从来最极端条件下物质的行为。它们将质子和电子一样亚原子粒子加速到接近光速的速度，并用大型强大的粒子加速器一起碰撞它们。在世界上最强大的加速器上，科学家能取得一个深不可测的7万亿摄氏度的温度。这远远超过太阳中心温度的100000倍，比一颗超新星中心的温度更高近100倍，超新星是一颗恒星的爆炸如此明亮以至于它能被跨半个宇宙看到。上一次这种温度在整个宇宙中是常见的是在大爆炸后不到万亿分之一秒时。

规制量子王国的法则和那些规制整个宇宙的法则之间的深层联系早已经被知道，研究人员几十年来一直在研究它们。这类实验需要非常大的粒子加速器和探测器，涉及数千名物理学家、工程师、计算机专业人员、技术人员和各种支持人员。如此一个可考虑的努力需要仔细的规划和独立的监督。

大约每五年，美国粒子物理学界评估来自过去五年做出的进展。它用这些信息来确定哪些努力是最有可能在近期内提供进展。社区必须考虑现实世界考虑像预算以及是否必要的技术存在或处在一个高级的开发中。他们还考虑像科学影响等因素。粒子物理学项目优先小组和高能物理学顾问小组都只是做出最终决定至于哪些项目应被追求的咨询和政府资助机构。

粒子物理学项目优先小组报告推荐各种规模和影响的项目。其中一个更大的项目是一个来研究宇宙的宇宙微波背景的第四代努力。这些微波是大爆炸的最古老的可探测残余物，是处于婴儿中的宇宙的一个直接观察。 另一个大项目涉及升级费米实验室加速器综合体来改善它的已经世界级中微子研究计划。费米实验室是美国的旗舰粒子物理学实验室，它正在开发一项前所未有的努力来研究中微子的行为，中微子如此罕见的相互作用以至于它们能穿过整个地球只有非常小的相互作用机会。中微子研究可能揭示为什么宇宙当我们最好的理论提示反物质应该同样存在时似乎只由物质组成。

粒子物理学项目优先小组报告还建议创建一个第三代暗物质实验，该实验将搜索一种幽灵般形式的被认为比普通物质普遍更重五倍的物质。如果暗物质存在，它应该用几乎没有相互作用的机会穿过地球。任何探测到这种理论形式的物质的希望将需要一个集中的精力和先进的技术。

还被建议的是美国参与一个未来要么在欧洲要么亚洲的将进行希格斯玻色子详细研究的加速器，希格斯玻色子是2012年发现的给其他亚原子粒子质量的粒子。

一个雄心勃勃的建议是科学家们探索创造一个高能μ介子对撞机。μ介子是类似于电子但更重。另一个区别是μ介子在一秒的几分之内衰变。为制造一个μ介子对撞机，研究人员将不得不来创造μ介子、捕获它们，然后在一个很短的时间内加速它们并将它们一起粉碎。目前尚不清楚这样一个设施是可能的，但被建议国家的加速器科学家社区合作来看是否这样一个加速器是可行的。

价格更适中的可能未来设施包括冰立方探测器的升级。冰立方在南极洲用一立方公里的冰来研究宇宙中微子，包括一些从来被弄成的最高能的中微子。宇宙中微子的研究能给天文学家一个一些非常剧烈的包括超新星、碰撞的中子星和在巨大黑洞附近加速的物质等天文现象的深入探究。第二代冰立方可以用多达10立方公里的冰来做出甚至更精确的测量。

虽然粒子物理学项目优先小组委员会的建议是不约束的，但它们确实反映美国粒子物理学界的判断。在粒子物理学项目优先小组召开之前，成千的物理学家一起工作在雪质量进程中。几年来，研究人员想出他们最好的想法并在大型会议来讨论它们。通过讨论、批评和完善，来自雪质量的提议代表一些提高我们的自然法则的理解最创造性的想法。

粒子物理学项目优先小组委员会采纳了雪质量提案------完善了一些并修剪了其他提案------并将把其余的提案一道给资助机构。该过程的下一步将是对美国能源部和国家科学基金会等机构与它们的国际同行协商并考虑财政现实。在未来一年左右的时间里，美国中的粒子物理学研究的未来将变得清晰。

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