美國發布5個大型物理研究優先項目

近日，美國粒子物理學家宣布了未來5到10年的研究愿景，并發布報告《探索量子宇宙：粒子物理學創新和發現的途徑》。這份由粒子物理項目優先小組（P5）編寫的報告，詳細介紹了美國未來應該優先資助的5個高能物理研究項目。

P5是美國國家科學院的一個小組，主要負責給美國資助高能物理研究的兩個主要機構——能源部（DOE）和國家科學基金會（NSF）提供建議。

排名第一的優先項目是宇宙微波背景（CMB）第四階段項目，即CMBS4。該項目計劃在智利的阿塔卡馬沙漠和南極之間建設一個由12臺射電望遠鏡組成的陣列，目的是尋找大爆炸后瞬間物理過程的間接證據。到目前為止，這些過程大多是推測性的。

其他4個優先項目包括研究來自太空以及在實驗室制造的中微子實驗、有史以來最大的暗物質探測器和研究希格斯玻色子的大型粒子對撞機。

報告還強烈建議美國不間斷地資助正在進行的實驗，其中包括大型強子對撞機（LHC）的第一次重大升級，這將使歐洲核子研究中心的對撞機一直運行到本世紀30年代。

這5個優先項目是從去年在西雅圖舉行的斯諾馬斯會議提出的建議中選出的。

值得一提的是，首選項目CMBS4的目標是研究宇宙大爆炸后大約38萬年產生的輻射。微波天線將測量CMB的極化，即大多數輻射電場到達地球時擺動的角度。物理學家希望由此得到的極化圖能揭示引力波產生的特征模式。CMB可以探測到最古老的電磁輻射，它的極化可以提供一個了解更早時代的窗口。

包括歐洲普朗克太空望遠鏡和位于南極的BICEP2望遠鏡在內的多個大型實驗，都試圖在CMB的極化中找到原始引力波的跡象。在阿塔卡馬沙漠，天文學家正在建造一個名為西蒙斯天文臺的陣列，預計將于2024年年中完工。研究人員將CMBS4設想為西蒙斯天文臺的放大版，將在本世紀30年代中期開始觀測。

此外，深部地下中微子實驗（DUNE）已經在建設中，預計將于本世紀30年代初完成。

在2014年進行的上一次優先排序工作中，P5將當時估計耗資19億美元的DUNE列為需要資助的新項目的首要任務。此后，該項目的建設一直受到嚴重延誤和成本超支的影響，這促使DOE將南達科他州探測器的規模縮小了近一半。即使在這個縮小的版本中，該項目耗資也預計將超過30億美元。

許多物理學家認為，DUNE的科學依據仍然令人信服。P5正在倡導第二階段使探測器達到預期尺寸，并升級實驗室，使其微子束的強度增加10倍。