美国粒子物理十年发展规划建议——2023 P5发布

　　近日，美国粒子物理学界的“粒子物理项目优先级评定小组”发布了最新的评估报告——《探索量子宇宙——粒子物理创新与探索路线》。报告集粒子物理科学社群之力，由第一线的科研工作者共同展望未来十年本学科发展的方向，为政府和基金提供政策制定和投资的建议。由于“粒子物理项目优先级评定小组”的英文全称“

　　2023年的P5报告再次重申了粒子物理学研究的核心和特质——由人类好奇心驱动的对宇宙极大和极小尺度根本规律的认识。关于未来十到二十年粒子物理领域最有前景的发展方向，报告总结了三个科学主题，每个主题又包含两个重点领域。它们是：

　　报告认为，当前粒子物理学研究的前沿问题包括：暗物质、宇宙演化、中微子和希格斯玻色子的研究，同时还应投资于未来对撞机概念的开发。基于这一认识，报告对于如何在现有和未来二十年可预见的资源约束条件下，合理分配资源，以在最大化美国利益和维持美国国际领导力的前提下推进领域的发展，给出了建议。

　　科研装置——特别是大科学装置的布局和建设，将长期影响领域的发展和各国的领导力。在科学驱动因素之间保持精巧的平衡，同时投资的装置分类为：大（大于2.5亿美元）、中（5000万到2.5亿美元）、小（小于5000万美元），建议将有限的资源集中确保具有卓越发现能力的突破性研究的持续性，并且必须开展国际合作。

　　为了支持中小型实验计划，报告特别建议美国能源部创建一个新的竞争性项目，用于支持中小型项目的研究和建设。

　　P5对美国未来十年在高能物理领域的布局，给出了如下具体的建议。首先，作为独立于预算方案的最高优先事项，完成有关项目建设并支持正在进行的实验和研究的运作，以实现最大的科学价值。这些项目包括欧洲核子中心高亮度LHC（HL-LHC）、费米国家实验室DUNE中微子实验和鲁宾天文台项目。

　　其中，对LHC项目的支持主要集中在ATLAS和CMS实验，以及探测器的升级。这将有助于推进HL-LHC实现了解希格斯场标量势和寻找暗物质粒子的目标。

　　而维拉·鲁宾天文台的时空遗产巡天（Legacy Survey of Space and Time, LSST）望远镜，将在前所未有的深度、广度和精度上研究可见宇宙，LSST暗能量科学合作组将利用其观测结果研究暗能量和宇宙的动力学演化。

　　除上述大型项目之外，报告还建议美国继续支持一些中型项目，如NOνA、T2K、XENON-nT、Belle II、LHCb等等。

　　P5报告的第二个建议是，构建一系列重要项目，协同研究我们宇宙中几乎所有的基本组成及其相互作用，以及这些相互作用如何决定宇宙的过去和未来。对此，报告特别强调应规划和启动五个项目，按照优先级，它们先后为：第四阶段CMB实验（CMB-S4），该地面实验计划利用位于智利和南极站的望远镜，进一步提高宇宙微波背景辐射的测量精度；DUNE实验的升级计划；在美国境外参与盟友建设运行的希格斯工厂项目，即欧洲的FCC-ee项目或日本的ILC项目，以精确研究希格斯玻色子的性质，并指出美国应积极参与项目的可行性和设计研究，并且对此项目的支持力度应与对LHC项目的支持力度相当；与盟友合作，争取在美国本土建设第三代暗物质探测实验；IceCube-Gen2实验，作为DUNE、中微子实验的补充。

　　此外，报告还建议美国：（1）在小、中、大型项目之间建立更好的平衡，以开辟新的科学机会，最大限度地发挥其成果，加强劳动力发展，促进创造力，并在世界舞台上竞争。（2）支持全面开发该领域20年愿景所必需的理论、计算和技术资源。这包括一项积极的研发计划，即缪子对撞机技术的研发，该计划虽然在技术上具有挑战性，但可以产生革命性的加速器设计，为有效质心系能量在10 TeV 量级的对撞机绘制出一条现实的道路。（3）投资于旨在发展劳动力、扩大参与和支持该领域道德行为的举措。（4）在下一个十年的后期，召集一个由粒子物理学领域广泛成员组成的有针对性的专家组，在确定有关希格斯工厂的重大决策时，或可能需要对该加速器研发组合进行重大调整时，就美国加速器项目做出决策。还应审查与本报愿景相一致的费米实验室加速器综合体计划。

　　起草小组在报告中还特别指出，在发展粒子物理基础研究的过程中，投资于科学劳动力并加强计算和技术基础设施至关重要。为实现这一目标，资助机构应支持促进支持性、协作性工作环境的项目；帮助招募和留住多元化人才；并加强专业标准。有针对性地增加对理论、通用加速器研发、仪器仪表和计算的支持，将加强美国领导力开始下降的领域。这些领域与美国在人工智能和机器学习、量子信息和微电子领域的举措相一致，创造了有价值的协同效应。这种增加的支持最大限度地提高了科学投资的回报，促进了创新，并使美国社会从医学到美国国家安全等领域受益。

　　基于这些认识，尽管形势的变化迫使美国在许多倡议中让位于世界其他地区，并将对劳动力和未来技术的投资降低到临界水平，乃至影响了美国的科学领导地位。P5报告起草小组仍然精心设计了一个在未来10年技术和经济上可行的平衡方案，并朝着美国在粒子物理学领域的领导力和科学发现的长期愿景迈进。并期待随着该方案的实现，能够分享人类对量子宇宙的新见解。

　　张昊，2011 年于北京大学物理学院获博士学位，毕业后先后在美国阿岗国家实验室、伊利诺伊理工大学和加州大学圣巴巴拉分校从事博士后研究工作，2016 年回国入职中国科学院高能物理研究所理论物理室任副研究员，中国科学院大学岗位教师，常年从事粒子物理理论和唯象学方向的研究，教授量子场论和粒子物理学基础等课程。IM电竞网站IM电竞网站