工程師們正在廢棄的南達科他州霍姆斯塔克金礦中爆破和鑽孔，穿過迷宮般的隧道，為安裝深地中微子實驗（DUNE）做準備，這是美國最新、最偉大的主要粒子物理專案。但事情並沒有按計劃進行：與施工相關的挫折已將DUNE的全面首次亮相從本十年晚些時候推遲到最早也要到2030年代中期。而且，隨著DUNE計劃的推遲，它與其他中微子實驗的競爭力也隨之下降，導致美國能源部（DOE）去年秋天宣佈了一項有爭議的決定，將這個大型專案分成兩個階段。
美國的粒子物理學家希望，這種分兩階段的方法將有助於這個步履蹣跚的旗艦專案跟上競爭對手的步伐，同時也能創造喘息空間，重新構想其設計的後期階段。杜克大學的實驗物理學家凱特·斯科爾伯格說：“真正的成功可能與我們10年前的想法不完全相同。”
DUNE與長基線中微子設施（LBNF）一起，旨在探測粒子物理學標準模型中最難以捉摸的粒子，許多人懷疑這些粒子是通往下一個理論的門戶。但去年，該大型專案的價格標籤被重新評估，僅第一階段就超過30億美元——大約是整個專案最初估計的兩倍。
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挖掘80萬短噸岩石，為四個大型探測模組騰出空間，這已被證明比預期的要複雜。“關於礦井狀況的錯誤假設或過早估計”意味著基礎設施必須在挖掘開始前進行翻新，能源部的一位發言人說。安裝探測器的成本也被低估了。因此，LBNF/DUNE的啟動已被推遲數年，而且鑑於預算超支的規模，該專案必須得到國會的再次確認。
現在，粒子物理學家們聚集在斯諾馬斯會議上，這是一個定期會議，旨在討論美國未來十年的研究重點，一些人提出了LBNF/DUNE可能在其某些動機科學目標中排名第二甚至第三的可能性。“我們如何改變我們對DUNE的思考方式，以實現這些目標以及更多目標，或者做得更好？”德克薩斯大學阿靈頓分校的實驗物理學家喬納森·阿薩迪問道。“斯諾馬斯過程的全部意義在於進行這些非常艱難的討論，然後達成共識。”
從中微子到新物理學
毫無疑問，中微子是廣闊而多樣的粒子物理學動物群中最怪異的居民：它們有三種類型，但在傳播過程中會在這幾種不同的形式之間振盪。這令人驚訝，因為只有當中微子具有質量時才會發生振盪——這一特性與高度成功的標準模型的預測相沖突。自從1998年發現這種變形行為以來，物理學家們一直在努力精確地確定中微子是如何振盪的，並且還缺少對關鍵引數的三項測量。
第一個也是最著名的引數，電荷宇稱（CP）破壞，決定了中微子及其反粒子對應物是否以相同的方式振盪，並且可能有助於解釋為什麼宇宙中物質比反物質多。第二個引數確定哪種型別的中微子最重，哪種型別的中微子最輕。第三個引數與一種型別的中微子變成另一種型別的可能性有關。物理學家們在十年前的一次斯諾馬斯大會上構想了LBNF/DUNE，以此來測量所有這些以及更多。
日本競爭的中微子實驗Hyper-K的動機也大致相同——這是一個更大的地下腔室，裡面充滿了水而不是DUNE的液氬。Hyper-K的目標是在2020年代後期嚴格測量CP破壞，甚至在LBNF/DUNE現在延遲的中微子束開啟之前。與此同時，幾個較小的中微子實驗的組合——即冰立方、JUNO和KM3NeT——預計將在未來十年內權衡這些和其他長期存在的中微子難題。“DUNE面臨著非常嚴重的風險，無法首先測量這些引數，”阿薩迪說。“從歷史上看，日本的大型專案比許多美國大型專案更能忠實地遵守他們的計劃。”
然而，阿薩迪和許多其他人強調，這些實驗與其說是競爭對手，不如說是合作者。“我們有點像同時為彼此加油，又互相競爭，”曾在超級神岡探測器（Hyper-K的前身）上擔任研究生，現在在DUNE和其他中微子探測器上工作的實驗物理學家馬克·梅西耶說。
首先，任何發現都必須得到另一個獨立實驗的證實才能被認真對待。“為了科學，我們真的不在乎誰得到答案，”西北大學的安德烈·路易斯·德古韋亞說。“但你不希望專案之間有太大的時間差……一個專案可能會搶走另一個專案的風頭。”雖然崇高的物理學家可能會接受驗證的重要性，而不是成為第一個發現者，但“第二名”的概念對於掌握資金命脈的政治家來說更難推銷。
再說一次，LBNF/DUNE的新分階段方法可能是最終保持專案健康和競爭力的原因。“你要確保你正在獲得成果，而不是在等待全面規模的同時讓一切都延遲，”加州大學伯克利分校的加布裡埃爾·奧雷比·甘恩說。“保證輸掉比賽的唯一方法就是根本不參加比賽。”
然而，這種方法帶來了一個新的風險：第二階段的資金沒有保障。“人們被邀請更仔細地思考第二階段以及它帶來了什麼，”德古韋亞說。“你想要確保你有一個好的故事可以講，來說服你自己和所有人，第二階段是一項值得的投資。”
沉沒成本謬誤還是黃金機會？
隨著像LBNF/DUNE這樣的大型專案在過去五年中不斷增加，國會將能源部用於高能物理學的總體預算增加了近30%。然而，大學核心研究以及新的加速器和探測器技術研發的資金卻有所下降。能源部的一位發言人說，LBNF/DUNE的新分階段方法旨在重新平衡預算。“科學界真的必須認真對待什麼是合理的時間表和目標，”阿薩迪說，否則這個大型專案可能會“吸走房間裡的所有空氣”。
所有這一切都發生在LBNF/DUNE的東道主費米國家加速器實驗室（Fermilab）的動盪時期。去年秋天，費米實驗室主任奈傑爾·洛克耶因未公開的原因辭職。此後不久，費米實驗室還在能源部的成績單中，因科學技術專案管理獲得了罕見的“C”評級。
儘管存在不確定性，但對許多人來說，堅持LBNF/DUNE的最初範圍仍然是明智之舉。“很難想象有比這更好的單一中微子振盪實驗，”布魯克海文國家實驗室的中微子理論家彼得·丹頓說。與其他實驗不同，中微子束將探測廣泛的能量範圍，從而更全面地瞭解中微子是如何振盪的。充滿液氬的探測器也可以比裝有水的探測器更精確地跟蹤粒子的路徑。“液氬技術很困難，但我們為此付出的努力得到了回報，”丹頓說。希望這種新穎而雄心勃勃的裝置不僅能以高解析度繪製出中微子振盪圖，而且還能顯示出新粒子和力的跡象，物理學家們最終可能會掌握中微子質量的神秘起源。
出於這些原因，在2014年，粒子物理學界團結起來支援新型液氬探測器，而不是經過試驗和測試的水探測器——大多數中微子物理學家認為沒有理由改變這一點。“科學界對[LBNF/DUNE]的發生給予了非常有力的支援，”奧雷比·甘恩說。然而，在大眾科學看到的內部檔案中，DUNE現任共同發言人今年早些時候成功當選，其依據是“LBNF/DUNE目前在[高能物理學]界接受度很差……嚴重挑戰著DUNE的未來。”
幾乎所有人都同意，由於美國和國際合作夥伴已經為這個大型專案撥款數十億美元，因此沒有回頭路了。“當你走到這一步時，‘沉沒成本’謬誤總是存在的，”阿薩迪說。粒子物理學界的傑出人物一直對超導超級對撞機的取消耿耿於懷，這是一個耗資數十億美元的粒子加速器，在1990年代初期被取消。在預算膨脹以及在昂貴的派對和餐飲午餐上的可疑支出被曝光後，國會撤回了資金。冰立方中微子實驗的首席研究員弗朗西斯·哈爾岑說，結果，“粒子物理學轉移到了歐洲”。“希望每個人都吸取了教訓，殺死一個專案，錢不會回到你身邊，甚至不會回到科學領域。”
然而，毫無疑問地支援一個主要專案，而該專案“世界第一”的願望可能不再能夠實現，這也帶來了風險。“我們陷入了兩難境地。取消DUNE將是對高能物理學信譽的打擊，”一位不願透露姓名的訊息人士和DUNE合作組織的成員告訴大眾科學。“我們需要找到擺脫困境的方法，但出路並不明顯。”
現在齊心協力
在斯諾馬斯會議上，一項平衡行動正在進行中，旨在將粒子物理學家再次堅定地團結在LBNF/DUNE周圍，一些人將新分階段的設計描繪成將檸檬變成檸檬汁的機會。除了升級中微子束和探測器尺寸外，第二階段還留下了DUNE四個模組中的兩個未定義——並且歡迎新的想法。“對此有很多興奮，也有很多關於新探測器的創意，”斯科爾伯格說，他共同召集了最新斯諾馬斯的中微子物理學優先組，該組將持續到今年夏天。
近年來，理論上的見解為LBNF/DUNE的新型暗物質搜尋打開了大門，而待確定的探測器也可以容納一個“無中微子雙β衰變”實驗，以尋找中微子是自身反粒子的證據。增強的超新星探測器和對神秘的惰性中微子的追求也在考慮之中，以填補兩個開放的探測器槽。“如果你擴大與[物理學其他領域]的合作，那就會帶來更多可以實現這一目標的人，”倫敦大學皇家霍洛威學院的暗物質實驗物理學家喬斯林·門羅說。
其他人則傾向於加倍投入DUNE的世界最佳目標，優先考慮探測器設計和分析技術的進步，而這些進步通常不會在爭奪第一名的競賽中被考慮。“許多真正好的想法往往被推開，因為DUNE是‘在軌道上’：它必須工作，而且必須以這種方式完成，”阿薩迪說。一項名為THEIA的新穎提案將一個基於水的探測器（如Hyper-K）與一個更類似於DUNE的“閃爍”探測器結合在一起——以獲得兩種方法的優勢。
在物理學家中，似乎在一點上達成了普遍共識：將DUNE的沉沒成本謬誤轉化為機遇的風險很高。“我們現在真正努力工作的是嘗試與斯諾馬斯社群的其他成員建立所有這些聯絡，”斯科爾伯格說。討論將持續整個夏季，然後反饋給粒子物理專案優先順序小組（美國聯邦諮詢小組）的決策，該小組明年將決定DUNE/LBNF是否仍然是美國的旗艦專案。“我們需要確保每個人都加入，”德古韋亞說。“不確定性對一個長期專案不利，因為人們必須在其中投入大量時間……你不想讓努力白費。”