美國粒子物理學陷入僵局 _美國

美國粒子物理學陷入僵局
據(jù)中國科學報：在上世紀80年代和90年代，每隔幾個夏天，美國粒子物理學家就會聚集在科羅拉多州一個名為斯諾馬斯的豪華滑雪圣地，評估當時該領域的研究情況，商討下一步的計劃。近日，粒子物理學家計劃進行自2001年后的首次會面。但這一次，他們的聚會地點選在了一個不是那么高端的地方——明尼蘇達大學雙子城分校，而會議議案則將其稱為“密西西比河上的斯諾馬斯” 。
本次會議地點的更換主要是受到目前美國政府針對會議開支的限制，但這似乎也象征著該國粒子物理學所面臨的困境。美國能源部（DOE）劃撥到高能物理學的預算目前為7.52億美元，跟過去10年相比縮水了15% 。
越來越多的美國研究人員選擇在海外開展工作，而不是在本土僅有的粒子物理實驗室——伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室（Fermilab）——進行實驗。一些美國物理學家對Fermilab未來10年的主要項目——所謂的長基線中微子實驗（LBNE）并不熱心。
芝加哥大學理論物理學家、美國物理協(xié)會粒子和場研究項目主席Jonathan Rosner說，斯諾馬斯會議并沒有為學界指明新的前進道路。相反，物理學家需要去探索針對粒子物理未來發(fā)展的所有選擇。Rosner說：“我們可以提供的是：向非專業(yè)研究者解釋為什么粒子物理學值得進一步支持，并證明我們可以做到。”他說，物理學家將編撰一套白皮書，詳盡描繪粒子物理中包含的科學機遇。一個獨立粒子物理項目優(yōu)化小組（P5）將在明年設置研究的重點。
最后一屆斯諾馬斯會議召開之時，美國粒子物理項目處于世界領先地位。Fermilab有世界上能量最高的核粒子加速器——7公里長的萬億電子伏特加速器（Tevatron）。Tevatron曾發(fā)現(xiàn)一種名為“頂夸克”的粒子。
但變化就在眼前。位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲粒子物理實驗室（CERN）的27公里長的大型強子對撞機（LHC），能夠以比Tevatron更高的能量粉碎質(zhì)子，并于去年探測諸如希格斯玻色子等獵物——這種粒子對于解釋為什么其他基本粒子具有質(zhì)量這一問題至關重要。
為了保持在學界的競爭力，美國物理學家計劃建造一個巨大的直線對撞機。在當時的斯諾馬斯會議上，他們達成了共識：優(yōu)先建造一個國際直線對撞機（ILC）。
但甚至一些當時推動該計劃的人，現(xiàn)在都認為這是一個錯誤決定。參加相關文件撰寫的SLAC國家加速器實驗室理論家JoAnne Hewett說：“很多人覺得他們是被迫同意了該文件。”2007年，DOE表示無法負擔該項目50%的資金份額——約為70億美元。
2008年5月，P5發(fā)布了一份報告，將粒子物理細分為三個“前沿” 。在能量前沿上，美國物理學家將參與LHC的實驗。在宇宙前沿上，其他研究者將致力于地下實驗，以探測暗物質(zhì)粒子或天文學實驗，從而了解宇宙延展暗能量的本質(zhì) 。在強度前沿環(huán)節(jié) ， Fermilab的實驗要求最大強度的質(zhì)子束。這種質(zhì)子束能夠用來產(chǎn)生中微子。
這樣的實驗旨在研究3種類型的中微子如何從一種類型轉變成另一種類型——通常稱為中微子振蕩。P5提議Fermilab繼續(xù)進行有決定性意義的中微子振蕩實驗。LBNE實驗將利用儲存在南達科他州里德附近廢棄的霍姆斯特克礦地下的巨型探測器，探測從1300公里外的Fermilab發(fā)出的中微子束。
LBNE的支持者指出，研究中微子振蕩是很有希望的。LBNE將探索中微子和反中微子是否產(chǎn)生不同的振蕩，這種不對稱性有助于解釋宇宙中的物質(zhì)數(shù)量為何遠遠超過反物質(zhì) 。
批評者則指出，中微子物理學研究領域過于狹窄，不足以支持美國國家計劃。加州大學圣塔巴巴拉分校理論物理學家David Gross說：“即使我們測量了所有的參數(shù)，該計劃終會走向盡頭。從事科學工作的人主要集中在大學，他們習慣‘用腳投票’，他們工作于LHC 。”
去年，DOE認為， LBNE項目最初19億美元的預算過于昂貴，要求該項目縮減成本。這使得中微子物理學研究更加迷霧重重。一些研究者表示，即使對于中微子物理學家而言，縮水后的計劃無法激起他們的研究興趣。
是否存在可行的方案來替代目前的計劃？Gross的回答是肯定的。歐洲計劃在2020年對LHC項目進行一次重大升級，而日本則希望成為ILC項目的主導者。Fermilab也可以把重心轉移到海外，讓美國繼續(xù)專注于能量前沿的研究。
【美國粒子物理學陷入僵局】但其他人表示，如果沒有Fermilab開展主要研究，整個計劃將在政治上無法維持。他們希望來自其他國家的支持能幫助LBNE恢復其原貌。上個月，歐洲物理學家也表態(tài)：他們愿意在其他地區(qū)開展中微子實驗。
最終，一些物理學家指出，P5可能調(diào)整現(xiàn)有的計劃。但是有人擔心，經(jīng)過一番權衡，DOE官員會把在海外開展能源前沿研究或是在本土開展強度前沿研究視作非此即彼的選擇。
早在國會批準了2012財年預算后，眾議院就建議DOE必須在這兩個具有競爭力的方向中區(qū)分優(yōu)先級。Hewett說：“我認為，為LHC工作的研究者只是專注于研究數(shù)據(jù)本身，并不清楚現(xiàn)在的形勢。”
一些物理學家表示，他們希望能在新斯諾馬斯會議上看到被優(yōu)先考慮的項目。