美國(guó)發(fā)布5個(gè)大型物理研究?jī)?yōu)先項(xiàng)目

近日，美國(guó)粒子物理學(xué)家宣布了未來(lái)5到10年的研究愿景，并發(fā)布報(bào)告《探索量子宇宙：粒子物理學(xué)創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)的途徑》。這份由粒子物理項(xiàng)目?jī)?yōu)先小組（P5）編寫(xiě)的報(bào)告，詳細(xì)介紹了美國(guó)未來(lái)應(yīng)該優(yōu)先資助的5個(gè)高能物理研究項(xiàng)目。

P5是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的一個(gè)小組，主要負(fù)責(zé)給美國(guó)資助高能物理研究的兩個(gè)主要機(jī)構(gòu)——能源部（DOE）和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）提供建議。

排名第一的優(yōu)先項(xiàng)目是宇宙微波背景（CMB）第四階段項(xiàng)目，即CMBS4。該項(xiàng)目計(jì)劃在智利的阿塔卡馬沙漠和南極之間建設(shè)一個(gè)由12臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，目的是尋找大爆炸后瞬間物理過(guò)程的間接證據(jù)。到目前為止，這些過(guò)程大多是推測(cè)性的。

其他4個(gè)優(yōu)先項(xiàng)目包括研究來(lái)自太空以及在實(shí)驗(yàn)室制造的中微子實(shí)驗(yàn)、有史以來(lái)最大的暗物質(zhì)探測(cè)器和研究希格斯玻色子的大型粒子對(duì)撞機(jī)。

報(bào)告還強(qiáng)烈建議美國(guó)不間斷地資助正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，其中包括大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的第一次重大升級(jí)，這將使歐洲核子研究中心的對(duì)撞機(jī)一直運(yùn)行到本世紀(jì)30年代。

這5個(gè)優(yōu)先項(xiàng)目是從去年在西雅圖舉行的斯諾馬斯會(huì)議提出的建議中選出的。

值得一提的是，首選項(xiàng)目CMBS4的目標(biāo)是研究宇宙大爆炸后大約38萬(wàn)年產(chǎn)生的輻射。微波天線將測(cè)量CMB的極化，即大多數(shù)輻射電場(chǎng)到達(dá)地球時(shí)擺動(dòng)的角度。物理學(xué)家希望由此得到的極化圖能揭示引力波產(chǎn)生的特征模式。CMB可以探測(cè)到最古老的電磁輻射，它的極化可以提供一個(gè)了解更早時(shí)代的窗口。

包括歐洲普朗克太空望遠(yuǎn)鏡和位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的多個(gè)大型實(shí)驗(yàn)，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(xué)家正在建造一個(gè)名為西蒙斯天文臺(tái)的陣列，預(yù)計(jì)將于2024年年中完工。研究人員將CMBS4設(shè)想為西蒙斯天文臺(tái)的放大版，將在本世紀(jì)30年代中期開(kāi)始觀測(cè)。

此外，深部地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）已經(jīng)在建設(shè)中，預(yù)計(jì)將于本世紀(jì)30年代初完成。

在2014年進(jìn)行的上一次優(yōu)先排序工作中，P5將當(dāng)時(shí)估計(jì)耗資19億美元的DUNE列為需要資助的新項(xiàng)目的首要任務(wù)。此后，該項(xiàng)目的建設(shè)一直受到嚴(yán)重延誤和成本超支的影響，這促使DOE將南達(dá)科他州探測(cè)器的規(guī)模縮小了近一半。即使在這個(gè)縮小的版本中，該項(xiàng)目耗資也預(yù)計(jì)將超過(guò)30億美元。

許多物理學(xué)家認(rèn)為，DUNE的科學(xué)依據(jù)仍然令人信服。P5正在倡導(dǎo)第二階段使探測(cè)器達(dá)到預(yù)期尺寸，并升級(jí)實(shí)驗(yàn)室，使其微子束的強(qiáng)度增加10倍。