粒子物理学家提出了未来十年的研究重点

该小组由31名成员和一名来自美国和国外的当然成员组成，只考虑大中型物理研究项目——这种项目可能需要数年或数十年的时间来规划和建设，并需要数千名科学家的贡献并花费数十亿美元。

为了适应预算限制——两个机构在10年内为新项目提供的资金可能不到50亿美元——该小组必须合并或重新配置许多拟议的项目，并拒绝其中的三分之二。

加州大学伯克利分校麦克亚当斯物理学教授村山说：“财政责任一直是我们心目中的一件大事，以确保这些建议能够被各机构采取行动并得到落实。”“我们必须对我们的计划非常现实。”

五个预计预算超过25亿美元的推荐项目是：

宇宙微波背景第四阶段实验(CMB-S4)，将使用位于智利和南极洲的望远镜，并得到美国基础设施的支持在南极，研究宇宙诞生之初最古老的光。宇宙微波背景的偏振可以告诉宇宙学家早期宇宙膨胀过程中产生的引力波，并帮助他们了解当宇宙还处于微观状态时发生了什么。

南达科他州的增强功能，包括功率和实验能力的升级深层地下中微子实验(DUNE)。沙丘是一个长达数十年的项目的核心，该项目旨在揭示难以捉摸的中微子之谜。这个由美国主办的国际项目将利用一个独特的地下实验室，即现已接近完工的桑福德地下研究实验室，以及伊利诺伊州费米国家加速器实验室产生的中微子束。

位于欧洲或日本的希格斯玻色子工厂，旨在推进对2012年才发现的仍然神秘的粒子的研究，但它为所有其他形式的物质提供了质量。产生大量希格斯玻色子的加速器将允许精确测量玻色子的特性，并帮助物理学家了解该粒子如何适应当前的宇宙模型以及它是否与暗物质有关。

第三代(G3)暗物质实验将结合四个不同的国际实验-包括由劳伦斯伯克利国家实验室领导的LZ实验-一项综合计划，旨在探索暗物质的神秘本质，暗物质构成了宇宙质量和能量的重要组成部分，并且一直是现代物理学中最持久的谜团之一。专家组建议在美国进行该实验

在南极扩建中微子观测站，该观测站于今年早些时候首次绘制了来自银河系和银河系外的中微子来源的地图。该项目名为IceCube-Gen2，是一项由威斯康星大学麦迪逊分校运营的国际合作项目。该天文台现在由嵌入1立方公里冰层中的探测器组成;扩建将使天文台的灵敏度提高10倍。

该小组还建议投资于未来μ子对撞机的研究。虽然当今大多数粒子加速器都会加速电子或质子并将它们粉碎在一起，但μ子对撞机会加速短命μ子，它们是像电子一样的基本粒子(它们都是轻子)，但重得多。

μ子对撞机可以用比质子对撞机少得多的能量输入来探索物理学的新领域。该小组建议费米实验室作为建造示范对撞机来测试独特技术的好地方。

“在P5演习中，我们广泛审视粒子物理学领域的发展方向，并提交一份相当于美国社会10年预算战略计划的报告，这一点非常重要时间表和20年背景。小组思考了下一个重大发现可能在哪里，以及我们如何在预算范围内最大限度地发挥影响力，以支持未来的发现以及实现这些发现所需的下一代研究人员和技术工人。”KarstenHeeger，P5小组副主席、耶鲁大学尤金·希金斯教授兼物理学教授。

该小组还敦促能源部建立一个基金，如国家科学基金会，以支持小型项目。

“我们需要真正考虑大事之间的平衡——当然，我们都对它们感到兴奋——但也要考虑小事之间的平衡，以真正让年轻人继续前进，”村山说。

“在某些情况下，小型项目可能需要真正跳出框框思考，并且就科学成果而言可能是高风险、高回报的。我们对这种组合有强烈的感受。”

该小组还负责研究粒子物理学界内的多样性问题。

“我们就如何改善社区气候提出了可行的建议，该社区仍然主要由白人男性主导。我不想这么说，但这是事实，”村山说。

“我们进行的重要讨论之一是如何使社区更加包容和相互关心。我们在这些方面有明确的建议。”

该报告以美国物理学会在华盛顿州西雅图举办的Snowmass2021高能物理界规划演习的成果为基础，该演习是美国唯一代表整个粒子物理学界的独立机构。那里讨论的新知识和新技术为五常报告奠定了基础。

“希格斯玻色子刚刚在之前的P5过程之前被发现，现在我们对这种粒子的持续研究极大地告知了我们认为可能超出粒子物理标准模型的内容，”村山说。

“我们对暗物质可能是什么的看法也发生了变化，迫使人们把目光投向其他地方——宇宙。2015年，有报道称发现了引力波。加速器技术也在发生变化，这将讨论转移到建造下一代粒子对撞机所需的技术研发上。”

他指出，报告封面上的两个三角形旨在强调，观察越来越小的事物(传统粒子物理学的领域)必须与观察更大的结构(例如宇宙的演化)结合起来，才能得到报告所描述的“我们广阔而复杂的宇宙中最小的组成部分”的完整图片。

“P5报告将为该领域的光明未来奠定基础，”R.SekharChivukula，2023年APS粒子与场分部主席，加州大学圣地亚哥分校杰出物理学教授。

“粒子物理学中仍然存在极其重要的科学问题，美国粒子物理学界有能力和机会在我们自己的设施内并作为全球高能物理学界的成员来帮助解决这些问题。”

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