本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在过去几年中，新闻界充斥着关于大型强子对撞机取得成功的报道，其中最引人注目的是希格斯玻色子的发现。这导致一些人推测欧洲的研究正在崛起，而美国的研究正在落后。虽然不可否认的是，美国粒子物理学的预算在过去十年中有所减少，但同样不可辩驳的是，美国仍然是这个迷人研究领域的重要参与者，在欧洲和亚洲开展合作项目，同时也在推进强大的国内项目。
为了正确认识美国对粒子物理研究贡献的广度，必须区分国际项目和国内项目。国际项目目前（并且适当地）主要集中在大型强子对撞机（LHC）上。毫无疑问，这个环形对撞机是一件令人惊叹的设备。它周长17英里，花费了四分之一个世纪进行规划和建造，耗资约100亿美元，需要大约10,000名科学家来操作和研究其生成的数据。建造了四个不同的实验（ALICE、ATLAS、CMS和LHCb）来利用LHC研究人类最古老的科学问题。
受雇于美国大学和国家实验室的物理学家约占LHC实验计划的三分之一，使美国成为该项目最大的参与国。虽然欧洲核子研究中心（CERN）实验室本身雇佣的LHC科学家比任何其他单一机构都多，但美国的费米实验室和布鲁克海文国家实验室分别是CMS和ATLAS的无可争议的第二大机构。美国物理学家领导着许多分析工作，CMS合作组织甚至选举加州大学圣塔芭芭拉分校的乔·因坎德拉教授担任小组负责人。
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虽然不可否认LHC作为科学机遇的吸引力，但美国科学家也在积极开展充满活力的美国国内项目。费米实验室是美国粒子物理学界的中心，该实验室的加速器，无论是现在还是未来，都在帮助科学家们开辟通往迷人亚原子世界的新道路。
由于在可预见的未来，LHC仍将牢固地占据世界最高能量设施的地位，费米实验室正专注于一种不同的技术来深入研究宇宙的基本规则。通过选择专注于制造有史以来最高强度的粒子束，美国的国内项目能够研究一些在能量尺度上远远超过LHC可及范围的最罕见的现象。高能量意味着单个束粒子以空前的速度运动，而高强度意味着许多粒子聚焦在一个微小的区域，就像放大镜可以聚焦光线一样。当许多粒子被带到非常接近的位置时，量子力学涨落有很小的几率允许发生极其不可能的超高能量相互作用。
向人们解释为什么建造更高能量的设施有价值很容易，但理解为什么更高强度的束流是领先的研究策略则有点困难，需要两个方面的理解。第一个也是更简单的理解是认识到，在粒子物理学中，我们寻找粒子束之间罕见的碰撞。我们寻找罕见碰撞的原因是，常见的碰撞已经被研究过了。
为了观察最罕见的碰撞，人们必须简单地制造大量的碰撞并等待。这类似于试图赢得彩票。如果你买一张彩票，你不太可能成功，但如果你买很多张彩票，你买到中奖彩票的机会就会高得多。
更微妙的理解取决于物理学原理，特别是量子力学。虽然能量守恒是经典物理学的一个确凿规则，但在量子领域，这个规则并没有得到如此严格的遵守。根据海森堡不确定性原理，能量可以简单地出现，只要它消失得足够快。此外，暂时的能量不平衡越大，持续时间越短。因此，由于它们持续的时间如此之短，大的能量不平衡非常罕见。而且，正如我上面提到的，为了研究非常罕见的过程，必须使用非常强烈的束流。
利用目前的费米实验室加速器综合体，物理学家正在研究中微子与物质的相互作用。中微子只感受到弱核力，可以穿过大量物质而不发生相互作用。为了让大家对尺度有一个概念，太阳不断地发射中微子。如果我们决心阻止一半的中微子，我们需要一堵由固体铅构成的墙，其厚度为五个光年！鉴于中微子不愿相互作用，确保有足够的中微子相互作用以供研究的唯一方法是产生强度极高的束流，并用大型粒子探测器分析它们。
费米实验室的MINOS和NOVA实验从芝加哥向明尼苏达州北部发射了前所未有的高强度中微子束流，以研究一种称为中微子振荡的有趣现象。中微子是独特的，因为它们可以改变自己的身份，模糊地类似于电子可以变成质子然后再变回来。人们希望，理解这种振荡行为可能解释为什么宇宙完全由物质构成，而我们认为在宇宙开始时，物质和反物质以相等的量存在。
美国粒子物理研究领域的第二个亮点是利用费米实验室的加速器综合体研究缪子，缪子是电子的重表亲。 Muon g-2实验的科学家将测量缪子的磁矩。早先在布鲁克海文国家实验室进行的测量非常精确——达到八位精度。然而，数据和理论预测之间存在诱人的张力。虽然测量和预测都非常精确，但这两个数字略有不一致。这种不一致很小，但大约是实验和理论综合不确定度的三倍半。这种差异可能预示着新物理学的开始，这可能涉及超对称性、缪子亚结构或完全出乎意料的东西。由于费米实验室可以产生比布鲁克海文更强烈的缪子束流，因此g-2装置已从纽约长岛搬到芝加哥，以更彻底地研究这个问题。
另一个已被研究的有趣问题与非常规缪子衰变有关。大多数缪子衰变成电子和两个中微子，但有理由怀疑缪子可能在没有中微子的情况下衰变成电子。费米实验室的Mu2e实验计划在几年后开始记录数据，该实验将对远高于LHC能量尺度的能量尺度敏感。由于中微子可以转化为其他类型的中微子，夸克可以变成其他夸克，物理学家认为缪子向电子的转变可能是可能的。由于这种衰变预计非常罕见（如果它存在的话），这是制造高强度缪子束流的另一个原因。
美国整个粒子物理学界对紧迫物理问题的多年研究得出了明确的建议，即升级费米实验室加速器综合体，以进一步增加其可以提供的束流强度。因此，费米实验室的长期计划是将其中微子束流的强度至少提高50%，并将这些束流发射到位于南达科他州的探测器。由于中微子在飞行过程中会改变其身份（即振荡），因此在距费米实验室不同距离处设置探测器可以提供对中微子振荡的补充视角，并将进一步阐明这种现象。
但美国物理学界并没有忘记能量前沿。最终，将会有一台加速器取代LHC成为能量领域的领导者。在就该设施可能位于何处（甚至需要哪种类型的束流：质子还是电子）做出任何决定之前，还需要很长时间。但是，为了做好准备，美国各地的几家机构正在扩大其加速器开发计划。无论未来的设施位于美国、欧洲还是亚洲，美国加速器科学家都将积极参与开发所需的技术。
即使在预算紧张的情况下，美国粒子物理学界仍然在人类探索一些最古老的科学问题方面产生了巨大的影响，持续的支持是保持这种领先地位的关键。