关于宇宙有许多悬而未决的问题：暗物质的本质是什么？为什么宇宙在膨胀？中微子是如何获得质量的？
因为回答这类问题的实验可能需要大量的规划和建设，比如建造新的加速器设施——这可能需要数年或数十年的时间、数千名科学家的贡献和数十亿美元——物理学家们提前很多年就为这些项目做好了计划。
本周，一群杰出的物理学家发布了粒子物理学项目优先小组（P5）报告，概述了他们向美国资助机构提出的研究重点建议，并为美国粒子物理学领域制定了未来十年的路线图。在他们的优先事项中，芝加哥大学的科学家正在领导或贡献的几个项目，包括一个被称为CMB-S4的早期宇宙和深层地下中微子实验的项目。
“这些都是巨大的问题，我们将其分为三个主要领域：破译量子领域，照亮看不见的宇宙和探索物理学的新范式，”芝加哥大学教授Abby Vieregg说，他是P5委员会成员和David N. Schramm主任Kavli宇宙物理研究所所长。一件有趣的事情是，我们越来越希望将宇宙学和粒子物理学融合在一个统一的愿景中，以了解宇宙如何在最大和最小的尺度上运作。
“下一代”
根据该委员会的说法，P5报告相当于美国社会的战略计划，具有10年的预算时间表和20年的背景。
P5报告将CMB-S4列为其最高优先级项目，CMB-S4是一个旨在观测宇宙微波背景的地面望远镜网络。CMB-S4由芝加哥大学和劳伦斯伯克利国家实验室共同领导，旨在在南极洲和智利建造望远镜和基础设施，以寻找所谓的“原始”引力波 – 来自大爆炸本身的振动 – 以及以令人难以置信的细节绘制来自宇宙的微波光，并调查被称为暗物质的奥秘。
“CMB-S4将使我们能够研究宇宙的起源，并将提供对极端能量下的物理学和引力的量子性质的见解，”Subrahmanyan Chandrasekhar天文学和天体物理学和物理学杰出服务教授John Carlstrom说，他是CMB-S4的项目科学家。
P5还支持继续支持深部地下中微子实验（DUNE），该实验由费米国家加速器实验室（Fermilab）组成，费米国家加速器实验室是芝加哥大学下属的能源部国家实验室。DUNE是一项跨越多种状态的大规模实验，旨在更好地了解中微子 – 宇宙中最难以捉摸和最神秘的亚原子粒子之一。
报告还建议美国支持对新的国际设施“希格斯工厂”的重大实物捐助，以进一步加深我们对希格斯玻色子的了解。它还建议美国研究拥有下一个最先进的粒子对撞机设施的可能性，以加强美国在未来几十年内在国际高能物理学中的领导作用。
但该报告还建议在预算中为各种实验腾出空间，而不仅仅是最大规模的实验。
“看到委员会建议平衡非常大的项目来应对这些重大挑战，以及允许人们创造性地提出问题并在更短的时间内追求他们的想法的小规模项目，我真的很兴奋，”Vieregg说。
广阔的视野
P5报告基于一年来与全国各地物理学家的讨论和市政厅。它包括一系列预算意识的建议，涉及联邦对研究项目的投资、美国技术人员以及实现与基础物理学和宇宙起源相关的下一代变革性发现所需的技术和基础设施。
“我们欢迎这个杰出的小组提出的建议，我们很幸运能成为更广泛的高能物理社区的一员，该社区正在通过这些项目调查科学中的一些最大问题，”芝加哥大学负责科学、创新、国家实验室和全球倡议的执行副总裁胡安·德·巴勃罗说。“P5报告认可的提案加强了芝加哥大学与费米实验室和阿贡国家实验室之间持续、紧密关系的价值，这些实验室正在利用深厚的专业知识和尖端技术来扩大我们对能量、粒子物理学和宇宙学的理解。
P5 是负责为该领域的未来提出愿景的几份主要报告之一。P5委员会考虑了斯诺马斯的建议，斯诺马斯是一个由国际粒子物理学界数千名成员组成的小组，其研究结果于2021年发布。P5也是对《基本粒子物理学：进展与承诺》研究的补充，该研究旨在为未来几十年制定更广阔的愿景，计划于2024年发布。
“2023 年 P5 报告为美国高能物理学提供了一个大胆、鼓舞人心和平衡的愿景和路线图，”费米实验室主任 Lia Merminga 说。“通过强烈支持完成正在进行的实验和建设项目，建议尽早实施DUNE作为最终的长基线中微子振荡实验，并支持HEP社区在费米实验室举办μ子对撞机的愿望，它将确保美国在未来十年及以后继续在粒子物理学领域保持领先地位。费米实验室强烈支持P5报告的全部内容。
P5 由高能物理顾问小组向美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会物理部的高能物理项目提供。完整的报告可以在网上找到。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://news.uchicago.edu/story/committee-lays-out-research-priorities-future-us-particle-physics