美国粒子物理学陷入僵局

照片来源:改编自费米实验室图片

在20世纪80年代和90年代，每隔几个夏天，美国粒子物理学家就聚集在科罗拉多州一个名为斯诺马斯的豪华滑雪胜地，评估当时在该领域的研究，并讨论下一步。最近，粒子物理学家计划自2001年以来首次会面。但这一次，他们的会面地点被选在了一个不太高端的地方——明尼苏达大学双城分校，会议法案称之为“密西西比河上的斯诺马斯”。

会议地点的改变主要受当前美国*会议支出的限制，但这似乎也象征着美国粒子物理学面临的困境。美国能源部分配给高能物理学的预算目前为7.52亿美元，比过去10年减少了15%。

越来越多的美国研究人员选择在海外工作，而不是在费米实验室，这是美国唯一的粒子物理实验室。一些美国物理学家对费米实验室未来10年的主要项目——所谓的长基线中微子实验(LBNE)不感兴趣。

芝加哥大学理论物理学家、美国物理协会粒子和场研究项目主席乔纳森·罗斯纳说，斯诺马斯会议没有为学术界指出一条新的前进道路。相反，物理学家需要探索粒子物理学未来发展的所有选择。罗斯纳说:“我们能提供的是向非专业研究人员解释为什么粒子物理学值得进一步支持，并证明我们能做到。”他说，物理学家将编写一套白皮书，详细介绍粒子物理学中的科学机遇。一个独立的粒子物理项目优化小组(P5)将在明年确定研究重点。

在斯诺举行的上一次Mas会议上，美国粒子物理项目处于世界领先地位。费米实验室拥有世界上最高能量的核粒子加速器——7公里长的Tevatron。特瓦龙发现了一种叫做“顶夸克”的粒子。

但是变化就在眼前。位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室(CERN)的27公里长的大型强子对撞机(LHC)可以粉碎能量比泰瓦龙更高的质子，并在去年探测到像希格斯玻色子这样的猎物，这对于解释为什么其他基本粒子有质量至关重要。

为了在学术界保持竞争力，美国物理学家计划建造一个巨大的线性对撞机。当时在斯诺举行的质量会议上，他们达成了一项共识，即应优先建造国际直线对撞机。

但即使是当时推动该计划的一些人现在也认为这是一个错误的决定。参与撰写相关文件的美国国家加速器实验室理论家乔安妮·休伊特(JoAnne Hewett)表示:“许多人觉得他们*同意该文件。”2007年，能源部表示，它负担不起该项目50%的资本份额——大约70亿美元。

2008年5月，P5发布了一份报告，将粒子物理学分为三个“前沿”。在能源前沿，美国物理学家将参与LHC实验。在宇宙的最前沿，其他研究人员将致力于探测暗物质粒子的地下实验或天文实验，从而了解宇宙扩展暗能量的本质。在强度的前一个环节，费米实验室的实验需要最大强度的质子束。这种质子束可以用来产生中微子。

这些实验的目的是研究三种中微子是如何从一种类型转变为另一种类型的——通常被称为中微子振荡。P5建议费米实验室继续决定性的中微子振荡实验。LBNE将使用储存在南达科他州里德附近废弃的Homestake矿地下的巨型探测器来探测1300公里外费米实验室的中微子束。

LBNE的支持者指出，研究中微子振荡是非常有前途的。LBNE将探索中微子和反中微子是否会产生不同的振荡。这种不对称性有助于解释为什么宇宙中物质的数量远远超过反物质。

批评家指出，中微子物理研究过于狭窄，不足以支持美国的国家计划。加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家大卫·格罗斯说:“即使我们测量了所有的参数，这个项目最终也会结束。从事科学工作的人主要集中在大学里。他们习惯用脚投票。他们在LHC工作。”

去年，能源部认为LBNE项目19亿美元的初始预算过于昂贵，并要求该项目降低成本。这使得中微子物理研究更加模糊。一些研究人员说，即使对中微子物理学家来说，这个缩减的计划也不能激起他们对研究的兴趣。

目前的计划有可行的替代方案吗？格罗斯的回答是肯定的。欧洲计划在2020年对LHC项目进行重大升级，而日本则希望成为该项目的领导者。费米实验室也可以将其重点转移到海外，让美国继续专注于能源前沿研究。

但是其他人说，没有费米实验室的主要研究，整个计划在政治上是不可持续的。他们希望来自其他国家的支持能够帮助LBNE恢复其原来的面貌。上个月，欧洲物理学家也表示，他们愿意在其他地区进行中微子实验。

最后，一些物理学家指出，P5可能会调整现有计划。然而，一些人担心能源部官员会考虑在海外进行能源前沿研究或在国内进行强度前沿研究，作为权衡后的非此即彼的选择。

早在国会批准2012财年预算后，众议院就建议能源部必须优先考虑这两个竞争方向。休伊特说:“我认为为LHC工作的研究人员只关注数据本身，不了解当前的情况。”

一些物理学家说，他们希望在新斯诺的马斯会议上看到优先项目。

(段鑫)

中国科学新闻(2013-07-29第三版国际版)