知己知彼,方能追趕或趕超,看看美國物理學家在忙什麼?

十年前,美國粒子物理界陷入混亂。高能前沿已經移交給了歐洲核子研究所(CERN),即日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室,2012年,世界上最大的原子對撞機大型強子對撞機(LHC)撞擊出了久違的希格斯玻色子,這是粒子物理學家標準模型中的最後一塊。

一些物理學家希望美國建立一個巨大的實驗,將難以捉摸的粒子中微子發射到地球上,以研究它們是如何“振盪”的,即在它們快速移動時,從三種類型中的一種變化到另一種類型。其他國家則希望美國幫助推動下一個大型對撞機的研製。

在2013年各方力量的博弈和爭論後,美國研究人員同意建造中微子實驗室,但為了將它建的足夠大,足夠好,他們確定了通過邀請國際合作夥伴,分攤建設成本並借鑑國外頂級科學家的智慧。他們還決定繼續全面參與大型強子對撞機(LHC),並在國內開展各種小型項目。在全方位考慮了總預算和項目的複雜度,他們確定了下一個對撞機必須等待的決定。

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物理學家們剛剛開始構建中微子實驗室的核心。伊利諾伊州費米國家加速器實驗室的長基線中微子設施將通過1300公里的岩石將粒子發射到位於南達科他州的深層地下中微子實驗設施,這是一個裝滿4萬噸冷液態氬的探測器。長基線中微子設施/深層地下中微子實驗設施將於2026年面世,其目標是對中微子振盪以及中微子和反中微子之間是否存在差異進行決定性研究,這將有助於解釋宇宙為什麼產生了比反物質更多的物質。

杜克大學的中微子物理學家凱特·斯科伯格說:“中微子界的焦慮比上次低了很多。”。“深層地下中微子實驗設施計劃至少要持續到20世紀30年代。”然而,研究人員已經在考慮對這項耗資26億美元的實驗進行升級。

在其他領域,未來似乎不那麼確定。例如,上一次,科學家們在尋找暗物質粒子的過程中有一條非常清晰的道路——迄今為止還未被確認的物質似乎瀰漫在星系中,並與星系的引力聯繫在一起。研究人員建造了小型的地下探測器,用來搜尋弱相互作用的大質量粒子(WIMPs)的信號,WIMPs是主要的暗物質候選者,而顯而易見的計劃是把探測器擴大到噸級。

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斯坦福地下研究中心的物理學家們組裝了勒克斯-澤普林暗物質探測器的心臟,它將容納7噸液態氙氣

現在,兩個超噸位的WIMP探測器正在建造中。但到目前為止,WIMPs還沒有出現,進一步擴大投資這項技術“可能不會有很好的作用”,密歇根大學安娜堡分校的物理學家馬塞爾·索羅斯·桑托斯說。研究人員現在正考慮尋找其他類型的暗物質粒子,使用利用量子力學效應的新型探測器來達到精細的靈敏度。

這個領域的一個長期問題是下一個偉大的粒子對撞機將是什麼。布朗大學的物理學家米納克希·納拉因說,顯然需要一種能將電子發射到正電子中,產生大量希格斯玻色子並詳細研究其性質的裝置。但可能的設計各不相同。日本的物理學家正在討論這樣一個希格斯工廠,它是一個30公里長的線性電子正電子對撞機。與此同時,歐洲核子研究所已經開始研究一個80到100公里的環形對撞機。中國也有類似環形對撞機的計劃。

然而,費米實驗室的加速器物理學家弗拉基米爾·希爾採夫(Vladimir Shiltsev)說,這些並不是唯一可能的選擇。他們收到了至少16種不同的對撞機方案,其中一種方案是將重的、不穩定的近親電子μ介子粉碎在一起,另一種方案使用光子。

費米實驗室負責研究的副主任喬利肯(Joe Lykken)建議物理學家提議相關國家支持建設一項與粒子無關的大規模實驗:下一代引力波探測器,當黑洞等大質量物體相互旋入對方時,會引發時空漣漪。2015年,激光干涉儀重力波觀測站(LIGO)發現了這一現象,開啟了一扇瞭解宇宙的新窗口。

LIGO由兩個L型光學儀器組成,在路易斯安那州和華盛頓州有4公里長的手臂;它是由國家科學基金會建造的。Lykken說,下一代地面探測器可能是原來的10倍。

在接下來的一年裡,美國能源部將根據研究人員已經提出的2000多個想法,制定新的研究計劃和撥付相關的資金。“無論科學家提出什麼樣的想法,他們需要確保他們在執行項目的過程中,可以成為其領域或者其它領域的典範。”美國能源部高能物理副主任吉姆·西格里斯特(Jim Siegrist)說道。


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