工程师们正在废弃的南达科他州霍姆斯塔克金矿中爆破和钻孔，穿过迷宫般的隧道，为安装深地中微子实验（DUNE）做准备，这是美国最新、最伟大的主要粒子物理项目。但事情并没有按计划进行：与施工相关的挫折已将DUNE的全面首次亮相从本十年晚些时候推迟到最早也要到2030年代中期。而且，随着DUNE计划的推迟，它与其他中微子实验的竞争力也随之下降，导致美国能源部（DOE）去年秋天宣布了一项有争议的决定，将这个大型项目分成两个阶段。
美国的粒子物理学家希望，这种分两阶段的方法将有助于这个步履蹒跚的旗舰项目跟上竞争对手的步伐，同时也能创造喘息空间，重新构想其设计的后期阶段。杜克大学的实验物理学家凯特·斯科尔伯格说：“真正的成功可能与我们10年前的想法不完全相同。”
DUNE与长基线中微子设施（LBNF）一起，旨在探测粒子物理学标准模型中最难以捉摸的粒子，许多人怀疑这些粒子是通往下一个理论的门户。但去年，该大型项目的价格标签被重新评估，仅第一阶段就超过30亿美元——大约是整个项目最初估计的两倍。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续报道关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
挖掘80万短吨岩石，为四个大型探测模块腾出空间，这已被证明比预期的要复杂。“关于矿井状况的错误假设或过早估计”意味着基础设施必须在挖掘开始前进行翻新，能源部的一位发言人说。安装探测器的成本也被低估了。因此，LBNF/DUNE的启动已被推迟数年，而且鉴于预算超支的规模，该项目必须得到国会的再次确认。
现在，粒子物理学家们聚集在斯诺马斯会议上，这是一个定期会议，旨在讨论美国未来十年的研究重点，一些人提出了LBNF/DUNE可能在其某些动机科学目标中排名第二甚至第三的可能性。“我们如何改变我们对DUNE的思考方式，以实现这些目标以及更多目标，或者做得更好？”德克萨斯大学阿灵顿分校的实验物理学家乔纳森·阿萨迪问道。“斯诺马斯过程的全部意义在于进行这些非常艰难的讨论，然后达成共识。”
从中微子到新物理学
毫无疑问，中微子是广阔而多样的粒子物理学动物群中最怪异的居民：它们有三种类型，但在传播过程中会在这几种不同的形式之间振荡。这令人惊讶，因为只有当中微子具有质量时才会发生振荡——这一特性与高度成功的标准模型的预测相冲突。自从1998年发现这种变形行为以来，物理学家们一直在努力精确地确定中微子是如何振荡的，并且还缺少对关键参数的三项测量。
第一个也是最著名的参数，电荷宇称（CP）破坏，决定了中微子及其反粒子对应物是否以相同的方式振荡，并且可能有助于解释为什么宇宙中物质比反物质多。第二个参数确定哪种类型的中微子最重，哪种类型的中微子最轻。第三个参数与一种类型的中微子变成另一种类型的可能性有关。物理学家们在十年前的一次斯诺马斯大会上构想了LBNF/DUNE，以此来测量所有这些以及更多。
日本竞争的中微子实验Hyper-K的动机也大致相同——这是一个更大的地下腔室，里面充满了水而不是DUNE的液氩。Hyper-K的目标是在2020年代后期严格测量CP破坏，甚至在LBNF/DUNE现在延迟的中微子束开启之前。与此同时，几个较小的中微子实验的组合——即冰立方、JUNO和KM3NeT——预计将在未来十年内权衡这些和其他长期存在的中微子难题。“DUNE面临着非常严重的风险，无法首先测量这些参数，”阿萨迪说。“从历史上看，日本的大型项目比许多美国大型项目更能忠实地遵守他们的计划。”
然而，阿萨迪和许多其他人强调，这些实验与其说是竞争对手，不如说是合作者。“我们有点像同时为彼此加油，又互相竞争，”曾在超级神冈探测器（Hyper-K的前身）上担任研究生，现在在DUNE和其他中微子探测器上工作的实验物理学家马克·梅西耶说。
首先，任何发现都必须得到另一个独立实验的证实才能被认真对待。“为了科学，我们真的不在乎谁得到答案，”西北大学的安德烈·路易斯·德古韦亚说。“但你不希望项目之间有太大的时间差……一个项目可能会抢走另一个项目的风头。”虽然崇高的物理学家可能会接受验证的重要性，而不是成为第一个发现者，但“第二名”的概念对于掌握资金命脉的政治家来说更难推销。
再说一次，LBNF/DUNE的新分阶段方法可能是最终保持项目健康和竞争力的原因。“你要确保你正在获得成果，而不是在等待全面规模的同时让一切都延迟，”加州大学伯克利分校的加布里埃尔·奥雷比·甘恩说。“保证输掉比赛的唯一方法就是根本不参加比赛。”
然而，这种方法带来了一个新的风险：第二阶段的资金没有保障。“人们被邀请更仔细地思考第二阶段以及它带来了什么，”德古韦亚说。“你想要确保你有一个好的故事可以讲，来说服你自己和所有人，第二阶段是一项值得的投资。”
沉没成本谬误还是黄金机会？
随着像LBNF/DUNE这样的大型项目在过去五年中不断增加，国会将能源部用于高能物理学的总体预算增加了近30%。然而，大学核心研究以及新的加速器和探测器技术研发的资金却有所下降。能源部的一位发言人说，LBNF/DUNE的新分阶段方法旨在重新平衡预算。“科学界真的必须认真对待什么是合理的时间表和目标，”阿萨迪说，否则这个大型项目可能会“吸走房间里的所有空气”。
所有这一切都发生在LBNF/DUNE的东道主费米国家加速器实验室（Fermilab）的动荡时期。去年秋天，费米实验室主任奈杰尔·洛克耶因未公开的原因辞职。此后不久，费米实验室还在能源部的成绩单中，因科学技术项目管理获得了罕见的“C”评级。
尽管存在不确定性，但对许多人来说，坚持LBNF/DUNE的最初范围仍然是明智之举。“很难想象有比这更好的单一中微子振荡实验，”布鲁克海文国家实验室的中微子理论家彼得·丹顿说。与其他实验不同，中微子束将探测广泛的能量范围，从而更全面地了解中微子是如何振荡的。充满液氩的探测器也可以比装有水的探测器更精确地跟踪粒子的路径。“液氩技术很困难，但我们为此付出的努力得到了回报，”丹顿说。希望这种新颖而雄心勃勃的装置不仅能以高分辨率绘制出中微子振荡图，而且还能显示出新粒子和力的迹象，物理学家们最终可能会掌握中微子质量的神秘起源。
出于这些原因，在2014年，粒子物理学界团结起来支持新型液氩探测器，而不是经过试验和测试的水探测器——大多数中微子物理学家认为没有理由改变这一点。“科学界对[LBNF/DUNE]的发生给予了非常有力的支持，”奥雷比·甘恩说。然而，在大众科学看到的内部文件中，DUNE现任共同发言人今年早些时候成功当选，其依据是“LBNF/DUNE目前在[高能物理学]界接受度很差……严重挑战着DUNE的未来。”
几乎所有人都同意，由于美国和国际合作伙伴已经为这个大型项目拨款数十亿美元，因此没有回头路了。“当你走到这一步时，‘沉没成本’谬误总是存在的，”阿萨迪说。粒子物理学界的杰出人物一直对超导超级对撞机的取消耿耿于怀，这是一个耗资数十亿美元的粒子加速器，在1990年代初期被取消。在预算膨胀以及在昂贵的派对和餐饮午餐上的可疑支出被曝光后，国会撤回了资金。冰立方中微子实验的首席研究员弗朗西斯·哈尔岑说，结果，“粒子物理学转移到了欧洲”。“希望每个人都吸取了教训，杀死一个项目，钱不会回到你身边，甚至不会回到科学领域。”
然而，毫无疑问地支持一个主要项目，而该项目“世界第一”的愿望可能不再能够实现，这也带来了风险。“我们陷入了两难境地。取消DUNE将是对高能物理学信誉的打击，”一位不愿透露姓名的消息人士和DUNE合作组织的成员告诉大众科学。“我们需要找到摆脱困境的方法，但出路并不明显。”
现在齐心协力
在斯诺马斯会议上，一项平衡行动正在进行中，旨在将粒子物理学家再次坚定地团结在LBNF/DUNE周围，一些人将新分阶段的设计描绘成将柠檬变成柠檬汁的机会。除了升级中微子束和探测器尺寸外，第二阶段还留下了DUNE四个模块中的两个未定义——并且欢迎新的想法。“对此有很多兴奋，也有很多关于新探测器的创意，”斯科尔伯格说，他共同召集了最新斯诺马斯的中微子物理学优先组，该组将持续到今年夏天。
近年来，理论上的见解为LBNF/DUNE的新型暗物质搜索打开了大门，而待确定的探测器也可以容纳一个“无中微子双β衰变”实验，以寻找中微子是自身反粒子的证据。增强的超新星探测器和对神秘的惰性中微子的追求也在考虑之中，以填补两个开放的探测器槽。“如果你扩大与[物理学其他领域]的合作，那就会带来更多可以实现这一目标的人，”伦敦大学皇家霍洛威学院的暗物质实验物理学家乔斯林·门罗说。
其他人则倾向于加倍投入DUNE的世界最佳目标，优先考虑探测器设计和分析技术的进步，而这些进步通常不会在争夺第一名的竞赛中被考虑。“许多真正好的想法往往被推开，因为DUNE是‘在轨道上’：它必须工作，而且必须以这种方式完成，”阿萨迪说。一项名为THEIA的新颖提案将一个基于水的探测器（如Hyper-K）与一个更类似于DUNE的“闪烁”探测器结合在一起——以获得两种方法的优势。
在物理学家中，似乎在一点上达成了普遍共识：将DUNE的沉没成本谬误转化为机遇的风险很高。“我们现在真正努力工作的是尝试与斯诺马斯社区的其他成员建立所有这些联系，”斯科尔伯格说。讨论将持续整个夏季，然后反馈给粒子物理项目优先级小组（美国联邦咨询小组）的决策，该小组明年将决定DUNE/LBNF是否仍然是美国的旗舰项目。“我们需要确保每个人都加入，”德古韦亚说。“不确定性对一个长期项目不利，因为人们必须在其中投入大量时间……你不想让努力白费。”