华盛顿特区——美国物理学家们制定了一项大胆的新计划，以“探索量子宇宙”，从最小的物质微粒到最广阔的宇宙范围。
12月7日，粒子物理项目优先次序专门小组 (P5) ——一个大约每十年召开一次的专家委员会——首次发布了报告草案，为未来二十年美国粒子物理学的发展规划了路线。“我们真正追求的是：‘宇宙是如何运作的？’” P5主席、加州大学伯克利分校的理论物理学家村山斉 (Hitoshi Murayama) 说。
为了进一步推进这项基础性研究，P5报告提出了一些关键建议，包括对深地中微子实验 (DUNE) 做出重要的成本节约妥协。DUNE是在南达科他州进行的一项耗资30亿美元的、陷入困境的项目，目前是美国最大的粒子物理项目。这份164页的报告还强烈支持建设宇宙微波背景第四阶段 (CMB-S4) 项目——一系列用于研究早期宇宙的望远镜——以及推进μ子对撞机的研发。μ子对撞机是一个技术上具有挑战性的目标，但有望带来新粒子和相互作用的发现。
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这些建议获得了广泛的积极反响，尽管其中包含一些削减。“我们对这份报告感到高兴，”伊利诺伊州巴达维亚市费米国家加速器实验室 (Fermilab) 主任莉娅·梅尔明加 (Lia Merminga) 说。“我们热烈地相信它提供了一个雄心勃勃的愿景和路线图。”
对于μ子对撞机的支持者来说，这就像圣诞节提前到来：报告中的措辞呼吁进行类似于美国阿波罗计划在1960年代的“登月计划”的“μ子发射”。普林斯顿大学的实验粒子物理学家伊索贝尔·奥哈尔沃 (Isobel Ojalvo) 说：“我感到非常兴奋。”她说，奥哈尔沃和其他早期职业研究人员对μ子对撞机感到兴奋，“不仅因为它在粒子物理学中是一次范式转变，而且因为它是一个难以解决的问题。”
周一，数百名研究人员聚集在费米实验室，美国粒子物理学的中心。他们讨论了这份报告及其影响，进行了数小时的提问和评论，范围从技术性的科学问题到对报告格式的担忧。
在提问结束后，物理学家们前往招待会，村山斉和梅尔明加切开了一个蛋糕，蛋糕上装饰着一个明确的信息：“发射μ子。”
未解之谜
在过去的一个世纪里，物理学家们利用能量和精度不断提高的实验，来揭示宇宙在最小尺度上的运作方式。他们的努力促成了粒子物理学的标准模型的建立，该模型描述了物质最基本的组成部分（轻子和夸克）以及控制它们的力（电磁力、强力和弱力）。与此同时，科学家们还开发了一个宇宙学的标准模型，以解释最大的尺度。这是一个关于宇宙演化的配方，从时间之初到今天（以及更远的未来）：从大爆炸开始。加入一份暗物质，三份暗能量，以及少许物质。文火慢炖约138亿年。
当然，这些模型非凡的解释成功并不意味着物理学家们已经解决了关于宇宙的所有未解之谜。新的P5报告将几个研究领域组织成“科学驱动因素”，包括对中微子——与物质相互作用微弱的粒子——和暗物质——引力主导星系和其他巨大宇宙结构的不可见物质——的研究。之前的P5报告侧重于小尺度，而这份报告则回顾了大爆炸，以强调万物的统一以及大小尺度之间深刻的联系：“值得注意的是，整个可观测宇宙，现在跨越数十亿光年，曾经小到足以具有量子性质。它的量子历史印刻在其大规模结构上，”最新的报告指出。
P5委员会在多年的社区讨论（被称为“雪堆”，以会议曾经举行的科罗拉多州雪堆镇命名）的基础上，经过审议，将无数建议精简为提交给能源部和国家科学基金会 (NSF) 的20项建议，这两个机构是美国粒子物理学的主要资助者。
尽管具有远见卓识，但P5委员会最紧迫的问题可以说是在已经顺利进行的项目中纠正方向：DUNE，这个预算超支且落后于计划的美国旗舰粒子物理实验。DUNE是一个巨大的探测器，正在南达科他州的一个矿井中建造，用于接收从费米实验室通过1300公里长的陆地地壳发射的中微子束。DUNE的规划者表示，研究中微子在传输过程中的变化应该可以确定这些以难以捉摸而闻名的粒子的难以捉摸的特性，特别是它们是否与其反物质对应物表现不同。据能源部官员称，经过多年的延误，DUNE主洞穴的挖掘工作现已完成90%，实验应在2031年接收中微子。对于一些批评者来说，这太接近舒适区了，他们指出，DUNE的竞争对手，一个名为超级神冈探测器的日本实验，将于2027年开始运行——足够早，有可能在美国项目在关键中微子测量方面取得突破之前抢先一步。
为了最大限度地减少进一步的代价高昂的延误，P5报告建议通过削减该项目的升级计划来简化DUNE——委员会表示，这一干预措施可以节省近10亿美元。“我们真的需要2.4兆瓦的光束吗？我们真的需要第四个探测器吗？综合来看，似乎不需要，”村山斉说。尽管费米实验室市政厅的一些物理学家对P5削减开支可能使DUNE在与超级神冈探测器的竞争中处于劣势表示担忧，但村山斉持乐观态度。“放松心情，尽我们所能做到最好，”他说。
宇宙的选择
与P5报告对大规模宇宙研究的高度重视相一致，该报告将最高优先级授予CMB-S4，这是一个耗资8亿美元的项目，旨在使用十几个地面无线电望远镜研究宇宙微波背景——大爆炸后可见的宇宙第一道光。劳伦斯伯克利国家实验室物理学家、CMB-S4主任吉姆·斯特雷特 (Jim Strait) 称赞这份认可“是对该项目的重要性和计划的信任投票”。
严谨的规划对于CMB-S4至关重要，因为该实验的望远镜将在世界上一些最恶劣、最偏远的地区运行——在智利荒凉的高海拔阿塔卡玛沙漠和南极洲中心的阿蒙森-斯科特南极站。这两个地点都名列地球最黑暗、最晴朗天空的榜首，但特别是南极站地点带来了资源和运输方面的挑战。如果斯特雷特和他的团队能够管理好后勤——包括确保稳定的资金来源——CMB-S4应该会在2030年代初期开始探索早期宇宙。
P5报告还赞同升级现有的南极实验，冰立方中微子天文台。该探测器利用埋在冰中的数千个传感器，探测来自宇宙各处的高能中微子的闪光。P5建议将冰立方的体积扩大10倍，这也将使探测器看到的中微子数量增加10倍。
在过去的十年中，寻找弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 的暗物质实验空手而归。负面结果使WIMP走下神坛，并拓宽了对暗物质性质的搜索。P5报告认识到这种转变，并建议只有在预算充裕的情况下才进行不止一项WIMP搜索。相反，报告大力推动了许多寻找非WIMP暗物质的小型项目。“较小规模的实验将调查更广泛的暗物质理论，”报告指出。
对撞机的冲突
负面结果也影响了未来粒子对撞机的计划。在2012年发现希格斯玻色子（证实了其他粒子如何获得质量）之后，欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC) 在证实了几十年的理论预测之后，未能找到任何其他新的基本粒子。
作为其持续研究希格斯玻色子的一部分，该粒子加速器将升级为高亮度大型强子对撞机 (HL-LHC)，将于2029年启动。尽管HL-LHC将在与LHC相同的能量下运行，但升级后的粒子加速器预计将收集到比迄今为止收集到的数据多10倍的数据。P5报告支持继续为HL-LHC提供资金，但没有明确增加辅助探测器，这些探测器可以捕获其他未见的异常粒子衰变。一套拟议的辅助实验，即前向物理设施 (FPF)，将依靠此类探测器来搜索来自LHC碰撞的中微子、暗物质等。
虽然FPF尚未被判死刑——欧洲核子研究中心可能仍然选择在没有美国支持的情况下建造它——但加州大学欧文分校的物理学家乔纳森·冯 (Jonathan Feng) 提出了这个项目，他对P5的决定表示惋惜。“如果没有[FPF]，你就看不到中微子，”他说。“有了FPF，我们每天会看到数千个。这是一种让我们用全新的眼光看待LHC碰撞的方式。”
在2014年发布的上一份P5报告中，电子-正电子对撞机在美国物理学家的愿望清单上仅次于DUNE。（正电子是电子的反物质对应物。）这种机器将产生干净的、低能量的碰撞，这将是创建和研究希格斯玻色子的理想选择——使其成为所谓的希格斯工厂。（LHC使用的质子由夸克和胶子的混合物制成，它们更混乱的碰撞掩盖了对希格斯玻色子的研究。）2023年P5报告仍然建议建立一个国际合作的希格斯工厂——但在预算有限的情况下，它建议推迟资助，以支持更紧迫的优先事项。
对希格斯工厂兴趣的下降部分是由于前景不明朗。国际直线对撞机 (ILC) 位居2014年对撞机愿望清单的首位，并且“随时可以开工”——它可以立即在日本建造。然而，日本政客多年的犹豫不决导致许多物理学家认为它已经夭折。欧洲核子研究中心竞标希格斯工厂，未来环形对撞机 (FCC)，将需要在日内瓦附近挖掘一条90公里长的隧道，在2050年之前不会投入使用，并且不一定比HL-LHC有巨大的改进——所有这些都导致了对该提案的焦虑，尤其是在美国物理学家中。
与此同时，中国最近披露了在本土希格斯工厂方面取得的进展，这可能对ILC和FCC的前景造成了又一次打击：在上个月在德国举行的一次物理学会议上，中国粒子物理学家证实了有关中国拟议的希格斯工厂，环形正负电子对撞机 (CEPC)，可能最早在2027年获得批准并开始建设的传言。鉴于美国和中国之间关系紧张，P5报告没有具体说明美国是否会为CEPC提供资金。
对更高能量的厚望
LHC未能发现新粒子也促使物理学家们转向更高的能量。具体而言，他们想要一台能够撞击粒子以探测10太电子伏特 (TeV) 能量领域的机器，这比目前LHC的能量高出一个数量级，许多研究人员希望这会是新现象出现的阈值。（从角度来看，1 TeV是飞行蚊子携带的大致动能。）
μ子由此登场。作为电子的较重表亲，μ子可以通过出人意料的紧凑型硬件提供高能碰撞。尽管粒子物理学家们数十年来一直在尝试将μ子作为对撞机弹药，但这个想法最近才扎根——尤其是在美国物理学家中——主要有两个原因。首先，新一轮的设计研究表明，建造μ子对撞机可能是可行的，尽管μ子的寿命只有短暂的2.2微秒，这使得它们比寿命更长的质子和电子更难驾驭。其次，μ子对撞机提供了一个在美国在比大多数潜在的国际竞争对手提出的时间更短的时间内达到10 TeV的机会。一台10 TeV的μ子对撞机周长仅为16公里——方便地能够紧密地安装在费米实验室的边界内。
上次美国试图建造新的高能对撞机时，事情进展不顺利。超导超级对撞机 (SSC) 本应是德克萨斯州草原上一个87公里长的环形隧道，其能量将达到LHC的三倍。1993年，它在建设过程中被国会叫停，部分原因是管理不善和预算超支。从那时起，SSC的命运一直困扰着粒子物理学家，并导致人们对大型项目持谨慎态度。
P5报告没有明确提及SSC，但通过呼吁走μ子对撞机的道路，它驳斥了这个夭折的巨型项目的阴影。“通过接受这一挑战，美国开辟了一条通往新未来的道路，”报告辩称。“这就是我们的μ子发射。”