西雅图——经过一年的看似无休止的 Zoom 会议、Slack 聊天和电子邮件，近 800 名粒子物理学家涌向华盛顿大学，亲自分享他们的科学梦想和噩梦。在七月底的 10 天里，无论是在会议室里戴着口罩，还是在异常阳光明媚的西雅图天空下啜饮咖啡，他们都试图为他们领域的未来构建一个统一的愿景。
20 世纪粒子物理的故事记录在被称为标准模型的粒子万神殿中：夸克被胶子紧密束缚以构成原子核；带负电的电子及其更重的对应物，μ 子和 τ 子；光子，光的粒子；重 W 和 Z 玻色子，具有微妙的影响力；以及难以捉摸的轻量级中微子。标准模型中的粒子分为费米子（物质的组成部分）和玻色子（组织物质的力）。具有讽刺意味的是，在最小尺度上进行搜索需要越来越复杂和大型的实验。为了找到新的粒子，物理学家们一直在由已知类型的粒子以越来越高的能量碰撞产生的数据干草堆中筛选针。2012 年，在位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC) 上发现了希格斯玻色子，这是由 5,000 多名科学家分析来自世界上最大的机器中重达数千吨的探测器的拍字节数据完成的。
然而，希格斯玻色子发现的胜利——可以说是标准模型的最高成就——却笼罩着粒子物理学家现在陷入“噩梦般的场景”的担忧，没有明确的前进道路。物理学家长期以来一直认为标准模型的万神殿应该更大，以解释暗物质和引力等现象。许多理论提出，这些新粒子将在 LHC 的探测范围内，但到目前为止，搜索结果仍然是空无一物——这对粒子物理学家来说是一场噩梦。
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虽然“噩梦般的场景”这个短语经常引起物理学家的愤怒和嘲笑，但在会议上，一个名为“我们要去哪里？”的小组讨论直接面对了这个问题。匹兹堡大学的理论家陶汉认为，缺乏新粒子实际上是证伪的成功——通过证明不是什么来获得知识，而不是证明是什么。“噩梦般的场景不是失败，”他宣称。其他小组成员不太热衷于这种重新定义，他们坚持认为粒子物理根本没有处于噩梦般的场景中，或者噩梦就在这里但只是短暂的。
这种不和谐和不一致在某种程度上是故意的。大约每十年一次，数百名粒子物理学家参与雪堆过程（以最初会议的地点科罗拉多州雪堆命名），以决定向自然提出什么问题以及他们需要哪些工具来获得答案。之前的 2013 年雪堆过程确定了一些优先任务，包括表征新发现的希格斯玻色子的性质、测量中微子质量以及确定暗物质和暗能量的真实性质。
这些谜题仍然没有解决——与噩梦般的场景相符的令人不安的缺乏进展——但该领域的大部分领域已经变得更好。新的计算方法使实验能够穿透噪声并找到以前被认为无法访问的信号。下一代设施（如缪子对撞机）的可能性激发了社区的活力。对暗物质的搜索，曾经局限于少数候选粒子和探测器类型，现在已经扩展到涵盖更广泛的可能性。
一个流行的科学幻想是，这些谜题将由一位孤独的思想家在实验室中解决，或者在黑板上乱写乱画。今天，科学是一项共同的努力，职业科学家的工作并不总是与政治家或商人的工作有很大不同。在会议开幕全体会议上，广受尊敬的加州大学伯克利分校理论家村山齐志发表了演讲，他强调粒子物理学家需要做的不仅仅是为自己的项目辩护。“我们需要为整个领域辩护，”他说。
让粒子物理学家在统一的愿景上达成一致，用他们的行话说，是“非平凡的”。每个子领域都相信自己的卓越性：中微子研究人员将他们的工作放在首位，而暗物质专家则坚持认为他们的搜索更重要。这些辩论是粒子物理学家知道必须以共同点结束的过程的重要组成部分。在最新一次雪堆过程的第一天，能源部代表哈丽雅特·孔发出了一个熟悉的警告：“争吵不休的科学家，”她停顿了一下说道，“一无所获。”
跟上计划
美国粒子物理学每年花费略多于 10 亿美元，主要来自国家科学基金会和能源部科学办公室。
有两个项目吸引了大部分资金和注意力：LHC 和正在建设中的深地中微子实验 (DUNE)。虽然 LHC 是欧洲核子研究中心 (CERN) 的一项泛欧洲项目，但在 LHC 实验中工作的研究人员中，约有 30% 来自美国机构。DUNE 的 1,400 名合作者也来自不同的地理位置。正如费米实验室主任莉亚·梅尔明加在雪堆过程会议上有力地提醒社区的那样，这两个项目都离不开国际支持：“粒子物理是全球性的！”
但也许没有哪个项目像那个被取消的项目那样影响巨大。1993 年，在花费了 20 亿美元并在达拉斯附近的德克萨斯州瓦克萨哈奇地下挖掘了数英里的隧道后，超导超级对撞机 (SSC) 被国会取消。如果 SSC 建成，它将成为世界上最强大的粒子加速器。它的夭折对世界各地的粒子物理学都是一个沉重的打击，但对美国物理学的影响几乎是灾难性的。突然之间，美国的研究人员发现自己没有一个可以称之为家的对撞机。有些人转移到其他项目，而许多人则干脆离开了这个领域。
在雪堆过程会议上，人们的担忧围绕着 DUNE，一些人担心它可能会重蹈 SSC 的覆辙，因为它的价格已从 18 亿美元膨胀到 31 亿美元。DUNE 的主要目标之一是确定电荷宇称 (CP) 破坏——本质上是自然界在产生中微子方面比产生反物质双胞胎反中微子方面更倾向多少。日本中微子探测器超级神冈 (Hyper-K) 计划于 2028 年开始运行，也可以进行此类测量。在会后提问中，批评者追问：DUNE 会是多余的吗？支持者反驳他们，指出 DUNE 对 CP 破坏的灵敏度远高于 Hyper-K——如果，正如一些批评者指出的那样，它获得了额外花费 9 亿美元的升级。
尽管如此，当梅尔明加还宣布 DUNE 已通过最新一轮能源部审查时，她还是受到了如释重负的掌声。即使是对 DUNE 的科学目标感到不安的科学家，也对 SSC 记忆犹新，希望它能成功，因为它的失败会对整个社区产生负面影响。正如一位以上的研究人员在雪堆过程会议上所说，“如果 DUNE 死了，我们就都死了。”
担忧不仅限于 DUNE——过去十年中，研究经费一直在减少。* 现在，随着美国工业政策的兴起，一些粒子物理学家希望他们能分一杯羹。乔·拜登总统最近签署成为法律的 2800 亿美元的《芯片与科学法案》包括旨在促进量子技术的条款，量子技术是某些新型暗物质实验的关键，以及更多用于机器学习 (ML) 的资金，机器学习正在推动 LHC 中粒子搜索的新方法。
“机器学习之所以强大，是因为我们对基本粒子的发现必须是统计性的，”加州大学欧文分校的实验粒子物理学家丹尼尔·怀特森在雪堆过程会议上说。在那里，他和其他人提出了“数据物理学家”的想法——一种以新方式使用数据的新型研究人员。一个激进的例子来自罗格斯大学的理论家大卫·史。史在通过 Zoom 进行远程演示时愉快地说：“这是一个疯狂的想法。”“我们可以用生成模型取代 LHC。”正如强大的模型已经证明了生成引人注目的图像或撰写散文的能力一样，也可以生成物理学家可以探索的碰撞。这个想法比严肃更具挑衅性，引起了笑声和担忧的窃窃私语。
虽然 DUNE 的失败——或更普遍的新资金缺乏——对该领域来说将是坏消息，但实际上大约三分之二的粒子物理学家，他们花费数年时间攻读博士学位或担任博士后职位，被迫离开研究，因为根本没有足够的工作岗位。“管道”中充满了有抱负的研究人员——但却缺乏适合他们担任的职位。
为了减少离开粒子物理学的耻辱感，雪堆过程召集人举办了一场交流会，十几位前物理学家现在在当地公司（从小型的科技工作室到微软和谷歌）工作，宣传离开学术界的道路。但对于寻找工作以实际从事物理学的职业早期研究人员来说，前景寥寥无几。
与美国的大多数科学一样，物理学也存在多样性不足的问题：在种族和性别已知的人中，2014 年至 2019 年间授予的物理学博士学位中，近 70% 流向了白人男性。但并非所有人都能就解决多样性、公平性和包容性的社区努力达成一致。“年轻一代实际上对关于卓越与多样性之间是否存在权衡的讨论不感兴趣，”费米实验室研究科学家布莱恩·拉姆森告诉《大众科学》。“我认为，如果你假设每个人都足够优秀，那么整个物理学界都会变得更好。”
梦想与噩梦
粒子物理学家伟大的共同梦想之一是将他们的粒子万神殿扩大一倍，以便每个玻色子都有一个费米子对应物，每个费米子都有一个玻色子双胞胎。这就是超对称性 (SUSY) 的核心概念，这是一套深刻影响了当今研究人员后代的理论。例如，根据 SUSY 的规则，光子将由“光微子”镜像，电子将由“选择子”镜像。具有吸引力的是，携带力的玻色子和物质的费米子粒子之间的对称性可以驯服不受控制的希格斯质量（否则标准模型预测它应该天文数字般大），甚至可以充当暗物质。
不仅尚未有证据表明存在超对称性，而且 LHC 实验 ATLAS 和 CMS 已成功排除了其粒子可能隐藏的最可能位置。尽管如此，SUSY 在理论中仍然占有重要地位。在雪堆过程会议上，许多粒子物理学家——尤其是那些资历较老的物理学家——仍然像老朋友一样以现在时态谈论它。
理论很难被推翻，而 SUSY 并没有死，但许多年轻的研究人员开始继续前进。受到新的可能性前景的启发，他们正在任何可以找到暗物质的地方寻找暗物质，而不仅仅是 SUSY 预测的弱相互作用大质量粒子 (WIMP)。他们也在努力不要把婴儿和洗澡水一起倒掉。在一次清晨的会议上，加州大学圣巴巴拉分校的理论家纳撒尼尔·克雷格提出，无论 SUSY 如何，自然性原则都应该被挽救。
简而言之，自然性是指宇宙不应该荒谬地幸运的想法。喝咖啡时，克雷格举了一个例子：假设每支铅笔都可以很容易地在笔尖上保持平衡。我们应该期望宇宙如此幸运，还是应该寻找某种隐藏的现象来秘密地稳定铅笔？
虽然批评家有时会嘲笑自然性只是一种审美偏好，但克雷格指出了它的历史成功——自然性源于理论物理学家维克托·魏斯科普夫 1939 年的工作，该工作展示了正电子如何稳定电子，并且在 1974 年，引导理论家本·李和玛丽·盖拉德预测了魅力夸克的质量。“自然性不是一种理论，而是一种策略，可以帮助我们专注于我们可以寻找的无限地方，”克雷格解释说。他认为，物理学家不应该因为 SUSY 的前景黯淡而放弃自然性，而应该考虑其他近二十几种受自然性启发的理论。
理论家并不是唯一从 SUSY 转向的人。XENONnT 和 LUX-ZEPLIN (LZ)——两个使用巨型液氙容器探测暗物质的实验——最近报告的结果虽然为空，但仍然为 WIMP 的合理属性设定了令人印象深刻的新限制。然而，这些结果仅占雪堆过程会议上对话的一小部分。研究人员摆脱了满足 SUSY 的需要（SUSY 预测暗物质的质量范围相对较窄），现在正在寻找各种候选暗物质粒子，其质量范围跨越约 30 个数量级——大约相当于蚂蚁和太阳质量之间的差异。他们还在想办法穿透曾经令人望而生畏的“中微子底”，即宇宙中微子的噪声会淹没任何暗物质信号的水平。新方法体现在会议上研讨出的座右铭中：“深入探索，广泛搜索。”
使用对撞机的物理学家也在尝试新方法。在 LHC 的第三次运行期间，目前正在进行中，ATLAS 和 CMS 都将寻找长寿命粒子。在雪堆过程会议上，研究人员讨论了如何最好地搜索此类粒子，这些粒子可能会缓慢移动然后在衰变之前徘徊，从而导致过去可能被忽视的异常外观事件。
物理学家还在重新评估粒子味，这是一种量子性质，定义了费米子的种类：上夸克、下夸克、电子、μ 子等等。味道通常被认为是理所当然的，但表明电子和 μ 子之间基于味道的行为差异的异常现象重新唤起了人们对该主题的兴趣。“味道是没人知道答案的东西，”石溪大学的理论家帕特里克·米德在雪堆过程会议上说。如果“任何理论家告诉你他们知道正确的味道模型是什么，他们都在对你撒谎。”与许多其他情况一样，物理学家可能只需要等待更多数据。如果 Belle II 等实验证实了 LHCb 和 Muon g-2 实验中看到的味道异常，那么味道可能会成为首要的未知因素。
来自前沿的愿景
如果你想进行一次快速、粗略的雪堆过程，你可能会问：“哪种粒子最适合研究？”物理学家们断然不同意——有些人会选择神秘的中微子；其他人可能会指出构成暗物质的任何未知粒子，甚至指向更著名的粒子，如 μ 子或底夸克，因为它们的稀有衰变。
在这些选择中，研究希格斯的动力可能最能塑造这个领域。虽然 ATLAS 和 CMS 已经精确地测量了它的质量，精度达到千分之一，但关于希格斯的许多方面仍然未知。它如何与较轻的粒子耦合——如果耦合的话——仍然不清楚。通过在本十年晚些时候进行的升级，LHC 将积累比迄今为止收集的数据多 20 倍的数据，使其能够对希格斯进行更精确的测量。该粒子也是新物理学的沃土，并且具有多种类型希格斯——或希格斯与暗物质粒子相互作用的模型——的模型很容易创建。但无论研究人员了解该粒子的什么，研究它的努力都将塑造这个领域。
粒子物理学家渴望新的对撞机。总的来说，他们厌倦了撞击质子——本质上是混乱的夸克束——并且更喜欢更整洁的电子和正电子碰撞。通过更干净的碰撞，他们可以创建一个工厂，大量生产希格斯玻色子，以进行进一步、更深入的审查。这种希格斯工厂最有可能在近期实现的是国际直线对撞机，它将在日本建造。虽然该项目已准备就绪，但已被推迟多年，并且在 2 月份，当日本政府拒绝允许其继续进行时，它受到了另一次可能是致命的打击。
然后是未来环形对撞机 (FCC)，这是一个提议的 90 公里宽的环，它将位于瑞士乡村的广阔区域之下。根据欧洲核子研究中心主任法比奥拉·贾诺蒂的说法，FCC 可能会在 2050 年左右开始运行。与此同时，美国的加速器科学家渴望主办下一代对撞机。在去年 10 月下旬发布的一份白皮书中，一个研究团队介绍了一种新的“冷铜”技术，该技术可以更快地加速粒子，而无需液氦低温技术，从而实现更小、更便宜且更可行的对撞机。
但是，许多研究人员对等待 20 年或更长时间才能建成一个仅仅是希格斯工厂的想法感到不满。他们希望探索远远超出 LHC 范围的高能量，并具有前所未有的精度。在过去的两年里，缪子对撞机的想法在粒子物理学界传播开来。过去，缪子加速器计划很少引起理论物理学家的关注，很少有人对其消亡感到惋惜。从实验角度来看，缪子对撞机几乎没有变化，它面临着艰巨的技术障碍。在社会方面，社区充满活力——尤其是年轻的研究人员，他们在雪堆过程会议上穿着时尚的缪子对撞机 T 恤（这是一项宣传壮举，后来被冷铜对撞机支持者模仿，他们分发了别致的徽章）。
具有讽刺意味的是，物理学家雄心壮志最大的地方，正是雪堆过程作为一种形式最挣扎的地方。从理论上讲，雪堆过程的目标是概述一个科学愿景，而不设定优先级，而这正是粒子物理项目优先级小组 (P5) 的工作。但是，除非它不切实际地忽略所有资源和约束，否则科学愿景不可能存在于没有优先级的真空中。这种曲折的逻辑意味着，在最近的雪堆过程会议上，粒子物理学家可以指出使用缪子对撞机研究希格斯参数的前景，但实际上并没有支持缪子对撞机而不是任何其他替代方案。
随着雪堆过程的结束，一个连贯的愿景并不立即清晰。提炼 10 天和 500 篇白皮书的任务现在落在了 P5 及其新宣布的主席村山齐志身上。
在讨论理论家的角色时，村山齐志用可能也适用于他在雪堆过程会议期间的新角色的话说，“我希望我们能提供指导，”然后顽皮地补充说，“尽管有时是误导。”
*编者注（22 年 9 月 9 日）：这句话在发布后进行了编辑，以更正对过去十年资金减少的描述。