12月7日,美国粒子物理学界宣布了未来五到十年的研究愿景：《探索量子宇宙：粒子物理学创新与发现之路》（Exploring the Quantum Universe: Pathways to Innovation and Discovery in Particle Physics）报告发布。

这份由粒子物理项目优先小组（Particle Physics Project Prioritization Panel，P5）编写的报告详细介绍了他们对未来资助的建议，内容涵盖μ子、中微子、暗物质和希格斯玻色子等研究领域。

报告将提交给美国能源部科学办公室以及国家科学基金会等机构，指导他们未来十年的资助决策——而获得支持的研究工作将帮助学界深刻洞察自然的规律。

2023年粒子物理项目优先小组会议于2023年8月在美国丹佛举行

粒子物理学家研究物质在最极端条件下的行为。他们使用大型粒子加速器，将质子和电子等亚原子粒子加速到接近光速，并使它们相互碰撞，产生更高能量。

利用世界上最强大的加速器，科学家已经实现了4万亿摄氏度的高温——比太阳中心温度的10万倍还要高很多，比超新星中心温度高了近100倍。（超新星来自恒星爆炸，明亮得跨越半个宇宙可见。）宇宙中上一次出现7万亿度级别的高温，是大爆炸后不到一万亿分之一秒的时候。

支配量子领域的规律和支配整个宇宙的规律，二者间的深层联系早已为人所知。过去几十年间，科学家一直在做相关研究。这方面实验需要非常大的粒子加速器和探测器，需要数以千计的物理学家、工程师、计算机专业人员、技术人员以及各类支持人员的共同努力。如此规模大、牵涉广的科研，当然需要细致的规划、独立的监督。

大约每过五年，美国粒子物理学界会就过去五年取得的进展进行评估，并基于此评估预测哪些工作最有可能短期内看到成果。粒子物理学社区必须考虑现实因素，例如预算，例如必要的技术是否存在或正在开发中，例如科学影响力等问题。当然，P5及其所属的高能物理咨询小组（HEPAP）都只是咨询机构，最终决定应开展哪些项目的是来自政府的资助单位。

P5的新报告推荐了各种规模及影响力的项目。

一个规模较大的第四代项目旨在研究宇宙微波背景——这些微波是我们可探测的最古老的宇宙大爆炸“遗迹”，透过它们，科学家可以直接观察宇宙的婴儿期。

另一个大型项目涉及费米实验室加速器复合体（Fermilab accelerator complex）的升级。它将推动已经世界一流的中微子研究项目更上层楼。

费米实验室是美国最重要的粒子物理实验室，正以前所未有的投入开展中微子行为研究。中微子的相互作用非常少，少到它们穿过地球发生相互作用的概率极低。中微子研究有望回答：为什么宇宙看起来只由物质组成但物理学界认为反物质同样存在？

费米实验室

P5报告还建议开展第三代暗物质实验。学界推断暗物质的总量是普通物质的5倍还多。若当真存在，这一神秘的“宇宙幽灵”应该可以从地球轻松穿到另一端，几乎不发生相互作用。

此外，报告建议美国参与欧洲/亚洲的未来加速器项目。它将对希格斯玻色子进行详细研究。希格斯玻色子可为其他亚原子粒子提供质量。

一项雄心勃勃的计划是建造高能μ子对撞机。μ子与电子相似，不同之处在于它更重，而且能于不到1秒内衰变。为制造μ子对撞机，研究团队必须在很短时间里创造μ子，捕获μ子，然后加速μ子，并让它们相撞。目前不确定能否做出这样的设备来，但P5委员会建议美国加速器领域的科学家们开展合作，探索可行性。

另一方面，南极的IceCube探测器等设施值得加大投入、维护升级。IceCube能利用南极无与伦比的透明冰川环境研究宇宙中微子，包括一些有史以来最高能的中微子。对宇宙中微子的洞察有助于天文学家深入理解某些剧烈天文现象，包括超新星、中子星碰撞以及巨大黑洞附近加速的物质。第二代IceCube可以使用多达10立方公里的冰来进行更精确测量。

IceCube的地面设施

虽然P5委员会的建议更多是咨询性的，但它们确实反映了美国粒子物理学界的判断。在P5召开以前，斯诺马斯会议（Snowmass Process）是众多物理学家各抒己见的场合。几年来，参与者们提出自己最棒的想法，并在大会上讨论。经过讨论、批评和完善，斯诺马斯的提议能代表最具创造性、将推进人类理解自然规律的观点。

P5委员会采纳了斯诺马斯提议，并进行完善和删减，将修订版转交资助机构。美国能源部和国家科学基金会等机构会与国际同行协商，并考虑财政现实情况。

资料来源：

Physicists unveil 10-year plan for exploring the quantum Universe

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