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在過去幾年中，新聞界充斥著關於大型強子對撞機取得成功的報道，其中最引人注目的是希格斯玻色子的發現。這導致一些人推測歐洲的研究正在崛起，而美國的研究正在落後。雖然不可否認的是，美國粒子物理學的預算在過去十年中有所減少，但同樣不可辯駁的是，美國仍然是這個迷人研究領域的重要參與者，在歐洲和亞洲開展合作專案，同時也在推進強大的國內專案。
為了正確認識美國對粒子物理研究貢獻的廣度，必須區分國際專案和國內專案。國際專案目前（並且適當地）主要集中在大型強子對撞機（LHC）上。毫無疑問，這個環形對撞機是一件令人驚歎的裝置。它周長17英里，花費了四分之一個世紀進行規劃和建造，耗資約100億美元，需要大約10,000名科學家來操作和研究其生成的資料。建造了四個不同的實驗（ALICE、ATLAS、CMS和LHCb）來利用LHC研究人類最古老的科學問題。
受僱於美國大學和國家實驗室的物理學家約佔LHC實驗計劃的三分之一，使美國成為該專案最大的參與國。雖然歐洲核子研究中心（CERN）實驗室本身僱傭的LHC科學家比任何其他單一機構都多，但美國的費米實驗室和布魯克海文國家實驗室分別是CMS和ATLAS的無可爭議的第二大機構。美國物理學家領導著許多分析工作，CMS合作組織甚至選舉加州大學聖塔芭芭拉分校的喬·因坎德拉教授擔任小組負責人。
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雖然不可否認LHC作為科學機遇的吸引力，但美國科學家也在積極開展充滿活力的美國國內專案。費米實驗室是美國粒子物理學界的中心，該實驗室的加速器，無論是現在還是未來，都在幫助科學家們開闢通往迷人亞原子世界的新道路。
由於在可預見的未來，LHC仍將牢固地佔據世界最高能量設施的地位，費米實驗室正專注於一種不同的技術來深入研究宇宙的基本規則。透過選擇專注於製造有史以來最高強度的粒子束，美國的國內專案能夠研究一些在能量尺度上遠遠超過LHC可及範圍的最罕見的現象。高能量意味著單個束粒子以空前的速度運動，而高強度意味著許多粒子聚焦在一個微小的區域，就像放大鏡可以聚焦光線一樣。當許多粒子被帶到非常接近的位置時，量子力學漲落有很小的機率允許發生極其不可能的超高能量相互作用。
向人們解釋為什麼建造更高能量的設施有價值很容易，但理解為什麼更高強度的束流是領先的研究策略則有點困難，需要兩個方面的理解。第一個也是更簡單的理解是認識到，在粒子物理學中，我們尋找粒子束之間罕見的碰撞。我們尋找罕見碰撞的原因是，常見的碰撞已經被研究過了。
為了觀察最罕見的碰撞，人們必須簡單地製造大量的碰撞並等待。這類似於試圖贏得彩票。如果你買一張彩票，你不太可能成功，但如果你買很多張彩票，你買到中獎彩票的機會就會高得多。
更微妙的理解取決於物理學原理，特別是量子力學。雖然能量守恆是經典物理學的一個確鑿規則，但在量子領域，這個規則並沒有得到如此嚴格的遵守。根據海森堡不確定性原理，能量可以簡單地出現，只要它消失得足夠快。此外，暫時的能量不平衡越大，持續時間越短。因此，由於它們持續的時間如此之短，大的能量不平衡非常罕見。而且，正如我上面提到的，為了研究非常罕見的過程，必須使用非常強烈的束流。
利用目前的費米實驗室加速器綜合體，物理學家正在研究中微子與物質的相互作用。中微子只感受到弱核力，可以穿過大量物質而不發生相互作用。為了讓大家對尺度有一個概念，太陽不斷地發射中微子。如果我們決心阻止一半的中微子，我們需要一堵由固體鉛構成的牆，其厚度為五個光年！鑑於中微子不願相互作用，確保有足夠的中微子相互作用以供研究的唯一方法是產生強度極高的束流，並用大型粒子探測器分析它們。
費米實驗室的MINOS和NOVA實驗從芝加哥嚮明尼蘇達州北部發射了前所未有的高強度中微子束流，以研究一種稱為中微子振盪的有趣現象。中微子是獨特的，因為它們可以改變自己的身份，模糊地類似於電子可以變成質子然後再變回來。人們希望，理解這種振盪行為可能解釋為什麼宇宙完全由物質構成，而我們認為在宇宙開始時，物質和反物質以相等的量存在。
美國粒子物理研究領域的第二個亮點是利用費米實驗室的加速器綜合體研究繆子，繆子是電子的重表親。 Muon g-2實驗的科學家將測量繆子的磁矩。早先在布魯克海文國家實驗室進行的測量非常精確——達到八位精度。然而，資料和理論預測之間存在誘人的張力。雖然測量和預測都非常精確，但這兩個數字略有不一致。這種不一致很小，但大約是實驗和理論綜合不確定度的三倍半。這種差異可能預示著新物理學的開始，這可能涉及超對稱性、繆子亞結構或完全出乎意料的東西。由於費米實驗室可以產生比布魯克海文更強烈的繆子束流，因此g-2裝置已從紐約長島搬到芝加哥，以更徹底地研究這個問題。
另一個已被研究的有趣問題與非常規繆子衰變有關。大多數繆子衰變成電子和兩個中微子，但有理由懷疑繆子可能在沒有中微子的情況下衰變成電子。費米實驗室的Mu2e實驗計劃在幾年後開始記錄資料，該實驗將對遠高於LHC能量尺度的能量尺度敏感。由於中微子可以轉化為其他型別的中微子，夸克可以變成其他夸克，物理學家認為繆子向電子的轉變可能是可能的。由於這種衰變預計非常罕見（如果它存在的話），這是製造高強度繆子束流的另一個原因。
美國整個粒子物理學界對緊迫物理問題的多年研究得出了明確的建議，即升級費米實驗室加速器綜合體，以進一步增加其可以提供的束流強度。因此，費米實驗室的長期計劃是將其中微子束流的強度至少提高50%，並將這些束流發射到位於南達科他州的探測器。由於中微子在飛行過程中會改變其身份（即振盪），因此在距費米實驗室不同距離處設定探測器可以提供對中微子振盪的補充視角，並將進一步闡明這種現象。
但美國物理學界並沒有忘記能量前沿。最終，將會有一臺加速器取代LHC成為能量領域的領導者。在就該設施可能位於何處（甚至需要哪種型別的束流：質子還是電子）做出任何決定之前，還需要很長時間。但是，為了做好準備，美國各地的幾家機構正在擴大其加速器開發計劃。無論未來的設施位於美國、歐洲還是亞洲，美國加速器科學家都將積極參與開發所需的技術。
即使在預算緊張的情況下，美國粒子物理學界仍然在人類探索一些最古老的科學問題方面產生了巨大的影響，持續的支援是保持這種領先地位的關鍵。