華盛頓特區——美國物理學家們制定了一項大膽的新計劃，以“探索量子宇宙”，從最小的物質微粒到最廣闊的宇宙範圍。
12月7日，粒子物理專案優先次序專門小組 (P5) ——一個大約每十年召開一次的專家委員會——首次釋出了報告草案，為未來二十年美國粒子物理學的發展規劃了路線。“我們真正追求的是：‘宇宙是如何運作的？’” P5主席、加州大學伯克利分校的理論物理學家村山斉 (Hitoshi Murayama) 說。
為了進一步推進這項基礎性研究，P5報告提出了一些關鍵建議，包括對深地中微子實驗 (DUNE) 做出重要的成本節約妥協。DUNE是在南達科他州進行的一項耗資30億美元的、陷入困境的專案，目前是美國最大的粒子物理專案。這份164頁的報告還強烈支援建設宇宙微波背景第四階段 (CMB-S4) 專案——一系列用於研究早期宇宙的望遠鏡——以及推進μ子對撞機的研發。μ子對撞機是一個技術上具有挑戰性的目標，但有望帶來新粒子和相互作用的發現。
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這些建議獲得了廣泛的積極反響，儘管其中包含一些削減。“我們對這份報告感到高興，”伊利諾伊州巴達維亞市費米國家加速器實驗室 (Fermilab) 主任莉婭·梅爾明加 (Lia Merminga) 說。“我們熱烈地相信它提供了一個雄心勃勃的願景和路線圖。”
對於μ子對撞機的支持者來說，這就像聖誕節提前到來：報告中的措辭呼籲進行類似於美國阿波羅計劃在1960年代的“登月計劃”的“μ子發射”。普林斯頓大學的實驗粒子物理學家伊索貝爾·奧哈爾沃 (Isobel Ojalvo) 說：“我感到非常興奮。”她說，奧哈爾沃和其他早期職業研究人員對μ子對撞機感到興奮，“不僅因為它在粒子物理學中是一次正規化轉變，而且因為它是一個難以解決的問題。”
週一，數百名研究人員聚集在費米實驗室，美國粒子物理學的中心。他們討論了這份報告及其影響，進行了數小時的提問和評論，範圍從技術性的科學問題到對報告格式的擔憂。
在提問結束後，物理學家們前往招待會，村山斉和梅爾明加切開了一個蛋糕，蛋糕上裝飾著一個明確的資訊：“發射μ子。”
未解之謎
在過去的一個世紀裡，物理學家們利用能量和精度不斷提高的實驗，來揭示宇宙在最小尺度上的運作方式。他們的努力促成了粒子物理學的標準模型的建立，該模型描述了物質最基本的組成部分（輕子和夸克）以及控制它們的力（電磁力、強力和弱力）。與此同時，科學家們還開發了一個宇宙學的標準模型，以解釋最大的尺度。這是一個關於宇宙演化的配方，從時間之初到今天（以及更遠的未來）：從大爆炸開始。加入一份暗物質，三份暗能量，以及少許物質。文火慢燉約138億年。
當然，這些模型非凡的解釋成功並不意味著物理學家們已經解決了關於宇宙的所有未解之謎。新的P5報告將幾個研究領域組織成“科學驅動因素”，包括對中微子——與物質相互作用微弱的粒子——和暗物質——引力主導星系和其他巨大宇宙結構的不可見物質——的研究。之前的P5報告側重於小尺度，而這份報告則回顧了大爆炸，以強調萬物的統一以及大小尺度之間深刻的聯絡：“值得注意的是，整個可觀測宇宙，現在跨越數十億光年，曾經小到足以具有量子性質。它的量子歷史印刻在其大規模結構上，”最新的報告指出。
P5委員會在多年的社群討論（被稱為“雪堆”，以會議曾經舉行的科羅拉多州雪堆鎮命名）的基礎上，經過審議，將無數建議精簡為提交給能源部和國家科學基金會 (NSF) 的20項建議，這兩個機構是美國粒子物理學的主要資助者。
儘管具有遠見卓識，但P5委員會最緊迫的問題可以說是在已經順利進行的專案中糾正方向：DUNE，這個預算超支且落後於計劃的美國旗艦粒子物理實驗。DUNE是一個巨大的探測器，正在南達科他州的一個礦井中建造，用於接收從費米實驗室透過1300公里長的陸地地殼發射的中微子束。DUNE的規劃者表示，研究中微子在傳輸過程中的變化應該可以確定這些以難以捉摸而聞名的粒子的難以捉摸的特性，特別是它們是否與其反物質對應物表現不同。據能源部官員稱，經過多年的延誤，DUNE主洞穴的挖掘工作現已完成90%，實驗應在2031年接收中微子。對於一些批評者來說，這太接近舒適區了，他們指出，DUNE的競爭對手，一個名為超級神岡探測器的日本實驗，將於2027年開始執行——足夠早，有可能在美國專案在關鍵中微子測量方面取得突破之前搶先一步。
為了最大限度地減少進一步的代價高昂的延誤，P5報告建議透過削減該專案的升級計劃來簡化DUNE——委員會表示，這一干預措施可以節省近10億美元。“我們真的需要2.4兆瓦的光束嗎？我們真的需要第四個探測器嗎？綜合來看，似乎不需要，”村山斉說。儘管費米實驗室市政廳的一些物理學家對P5削減開支可能使DUNE在與超級神岡探測器的競爭中處於劣勢表示擔憂，但村山斉持樂觀態度。“放鬆心情，盡我們所能做到最好，”他說。
宇宙的選擇
與P5報告對大規模宇宙研究的高度重視相一致，該報告將最高優先順序授予CMB-S4，這是一個耗資8億美元的專案，旨在使用十幾個地面無線電望遠鏡研究宇宙微波背景——大爆炸後可見的宇宙第一道光。勞倫斯伯克利國家實驗室物理學家、CMB-S4主任吉姆·斯特雷特 (Jim Strait) 稱讚這份認可“是對該專案的重要性和計劃的信任投票”。
嚴謹的規劃對於CMB-S4至關重要，因為該實驗的望遠鏡將在世界上一些最惡劣、最偏遠的地區執行——在智利荒涼的高海拔阿塔卡瑪沙漠和南極洲中心的阿蒙森-斯科特南極站。這兩個地點都名列地球最黑暗、最晴朗天空的榜首，但特別是南極站地點帶來了資源和運輸方面的挑戰。如果斯特雷特和他的團隊能夠管理好後勤——包括確保穩定的資金來源——CMB-S4應該會在2030年代初期開始探索早期宇宙。
P5報告還贊同升級現有的南極實驗，冰立方中微子天文臺。該探測器利用埋在冰中的數千個感測器，探測來自宇宙各處的高能中微子的閃光。P5建議將冰立方的體積擴大10倍，這也將使探測器看到的中微子數量增加10倍。
在過去的十年中，尋找弱相互作用大質量粒子 (WIMP) 的暗物質實驗空手而歸。負面結果使WIMP走下神壇，並拓寬了對暗物質性質的搜尋。P5報告認識到這種轉變，並建議只有在預算充裕的情況下才進行不止一項WIMP搜尋。相反，報告大力推動了許多尋找非WIMP暗物質的小型專案。“較小規模的實驗將調查更廣泛的暗物質理論，”報告指出。
對撞機的衝突
負面結果也影響了未來粒子對撞機的計劃。在2012年發現希格斯玻色子（證實了其他粒子如何獲得質量）之後，歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機 (LHC) 在證實了幾十年的理論預測之後，未能找到任何其他新的基本粒子。
作為其持續研究希格斯玻色子的一部分，該粒子加速器將升級為高亮度大型強子對撞機 (HL-LHC)，將於2029年啟動。儘管HL-LHC將在與LHC相同的能量下執行，但升級後的粒子加速器預計將收集到比迄今為止收集到的資料多10倍的資料。P5報告支援繼續為HL-LHC提供資金，但沒有明確增加輔助探測器，這些探測器可以捕獲其他未見的異常粒子衰變。一套擬議的輔助實驗，即前向物理設施 (FPF)，將依靠此類探測器來搜尋來自LHC碰撞的中微子、暗物質等。
雖然FPF尚未被判死刑——歐洲核子研究中心可能仍然選擇在沒有美國支援的情況下建造它——但加州大學歐文分校的物理學家喬納森·馮 (Jonathan Feng) 提出了這個專案，他對P5的決定表示惋惜。“如果沒有[FPF]，你就看不到中微子，”他說。“有了FPF，我們每天會看到數千個。這是一種讓我們用全新的眼光看待LHC碰撞的方式。”
在2014年釋出的上一份P5報告中，電子-正電子對撞機在美國物理學家的願望清單上僅次於DUNE。（正電子是電子的反物質對應物。）這種機器將產生乾淨的、低能量的碰撞，這將是建立和研究希格斯玻色子的理想選擇——使其成為所謂的希格斯工廠。（LHC使用的質子由夸克和膠子的混合物製成，它們更混亂的碰撞掩蓋了對希格斯玻色子的研究。）2023年P5報告仍然建議建立一個國際合作的希格斯工廠——但在預算有限的情況下，它建議推遲資助，以支援更緊迫的優先事項。
對希格斯工廠興趣的下降部分是由於前景不明朗。國際直線對撞機 (ILC) 位居2014年對撞機願望清單的首位，並且“隨時可以開工”——它可以立即在日本建造。然而，日本政客多年的猶豫不決導致許多物理學家認為它已經夭折。歐洲核子研究中心競標希格斯工廠，未來環形對撞機 (FCC)，將需要在日內瓦附近挖掘一條90公里長的隧道，在2050年之前不會投入使用，並且不一定比HL-LHC有巨大的改進——所有這些都導致了對該提案的焦慮，尤其是在美國物理學家中。
與此同時，中國最近披露了在本土希格斯工廠方面取得的進展，這可能對ILC和FCC的前景造成了又一次打擊：在上個月在德國舉行的一次物理學會議上，中國粒子物理學家證實了有關中國擬議的希格斯工廠，環形正負電子對撞機 (CEPC)，可能最早在2027年獲得批准並開始建設的傳言。鑑於美國和中國之間關係緊張，P5報告沒有具體說明美國是否會為CEPC提供資金。
對更高能量的厚望
LHC未能發現新粒子也促使物理學家們轉向更高的能量。具體而言，他們想要一臺能夠撞擊粒子以探測10太電子伏特 (TeV) 能量領域的機器，這比目前LHC的能量高出一個數量級，許多研究人員希望這會是新現象出現的閾值。（從角度來看，1 TeV是飛行蚊子攜帶的大致動能。）
μ子由此登場。作為電子的較重表親，μ子可以通過出人意料的緊湊型硬體提供高能碰撞。儘管粒子物理學家們數十年來一直在嘗試將μ子作為對撞機彈藥，但這個想法最近才紮根——尤其是在美國物理學家中——主要有兩個原因。首先，新一輪的設計研究表明，建造μ子對撞機可能是可行的，儘管μ子的壽命只有短暫的2.2微秒，這使得它們比壽命更長的質子和電子更難駕馭。其次，μ子對撞機提供了一個在美國在比大多數潛在的國際競爭對手提出的時間更短的時間內達到10 TeV的機會。一臺10 TeV的μ子對撞機周長僅為16公里——方便地能夠緊密地安裝在費米實驗室的邊界內。
上次美國試圖建造新的高能對撞機時，事情進展不順利。超導超級對撞機 (SSC) 本應是德克薩斯州草原上一個87公里長的環形隧道，其能量將達到LHC的三倍。1993年，它在建設過程中被國會叫停，部分原因是管理不善和預算超支。從那時起，SSC的命運一直困擾著粒子物理學家，並導致人們對大型專案持謹慎態度。
P5報告沒有明確提及SSC，但透過呼籲走μ子對撞機的道路，它駁斥了這個夭折的巨型專案的陰影。“透過接受這一挑戰，美國開闢了一條通往新未來的道路，”報告辯稱。“這就是我們的μ子發射。”