作者:张冬冬 来源:中国科学报 发布时间:2014-5-28 9:26:08
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“要追求最重要的机会,使用独特一流的设备,吸引全球科学界。”
美国粒子物理研究计划增加国际化

美国专家组提出的物理实验将使中微子从伊利诺伊州到达南达科他州桑福德地下研究设备。

图片来源:MATTHEW KAPUST

这是一场赌博。美国前沿粒子物理学家称,他们必须参与其中,为了最终能开始在该国唯一的粒子物理实验室——费米国家加速器实验室构建下一个大工程。他们希望该工程成为国际合作项目,即使那意味着将实验的直接控制权交予一个国际合作委员会。

该建议出自5月22日美国粒子物理学家向联邦咨询委员会提交的一份路线草图。特设粒子物理学项目优先次序专家组(P5)在8个月前受到能源部(DOE)和国家科学基金会(NSF)的要求,其报告中提出的项目很大程度上与物理学家已经酝酿多年的项目相同,但比之前的计划更具国际性。“要追求最重要的机会,不管它们在哪儿,并使用独特的、世界一流的设备,吸引全球科学界。”29条建议中的第一条写道。

“我认为这种合作的推进方式是具有说服力的,我们可以解决费米实验室项目最初的所有物理学设想。”DOE与NSF高能物理咨询委员会(HEPAP)、加州大学(UC)欧文分校物理学家Andrew Lankford称,“问题在于,华盛顿的决策者会欣赏它吗?”

该报告呼吁,在接下来的10年中,费米实验室应建立一个所谓的长基线中微子设备。它将研究在接近光速时,中微子变异的3种类型。研究人员正在寻找中微子和反中微子震荡之间的不对称性,这可能有助于解释演变的宇宙如何产生了如此多的物质和如此少的反物质。

其实,费米实验室的研究人员已经对该项目制定了具体计划,称为长基线中微子实验(LBNE)。不过P5称,预算限制令该计划不再值得进行。它建议重新开始建立一个比原方案更雄心勃勃的国际实验。费米实验室负责人Nigel Locker指出,DOE作为美国粒子物理的主要资助者,很可能失去控制权。“对我来说,这是一个转折点。”他说,“不过美国政府已经接受了不得不放弃一些通常做事方式的事实。”

在走向国际的过程中,P5于去年5月已经开始受欧洲粒子物理学家的领导,这些物理学家修改了长期战略,其报告建议该领域最大的项目在欧洲、美国和日本之间共享。欧洲将继续运行世界上能量最高的粒子加速器,即位于瑞士欧洲粒子物理实验室的27公里长的大型强子对撞机(LHC),它在两年前发现了人们长期寻找的希格斯玻色子。欧洲愿意大力资助中微子实验和拟议中的国际直线对撞机(ILC)。这一30公里的正负电子对撞机会对希格斯玻色子进行详细研究,日本物理学家希望可以主持该项目。

在保持全球视野的前提下,P5的报告优先考虑美国继续参与LHC,并表示物理学家应按计划将LHC撞击质子的速度提升10倍。在LHC上进行的两个最大型实验中有超过1200名物理学家参与。“LHC的升级处于近期大项目中的最高优先级。”P5主席、UC圣克鲁斯分校Steven Ritz称。同样,如果日本推进ILC,那么美国应该在资金允许的情况下加入合作。

总的来说,P5报告涉及整个美国物理学界,包括大大小小的各种项目。例如,基于一个早期被称为斯诺马斯过程的地区调查,它建议为那些力求探测暗物质粒子的小型地下实验增加资金。相反,它要求停止现在开发介子对撞机的项目。物理学家和DOE官员希望该计划将有助于统一美国粒子物理学界。他们担心美国粒子物理学界已经趋于分裂。一些著名的物理学家曾质疑构建中微子实验的价值,他们更希望将精力置于ILC或天体物理学研究。

LBNE计划的资金削减加剧了该问题。费米实验室的物理学家曾设想在霍姆斯特克建立一个装有3.4吨液氩的中微子探测器。该探测器深埋地下,还可以在液氩衰减中寻找质子的迹象,并观察来自于超新星的中微子。但DOE的官员无法接受LBNE高达19亿的资金。因此,2012年8月,费米实验室的物理学家提出了一个耗资7.89亿美元的探测器,表面上不到原探测器大小的1/3。它可能只能用于研究中微子震荡,而且以非常有限的方式。

不过,P5的全球化视野可能带来一个问题。该专家组必须考虑如何处理以下3种情况:第一种情况是,目前DOE的粒子物理预算是7.97亿美元,10年会增加15%;第二种情况是10年增加23%;第三种是无限增加。在前两种可能性中,美国都不能承担超过研发经费的资金以及ILC的一些硬件。

这可能会令ILC的日本支持者心痛,他们渴望其他国家承诺开展项目。日本的中微子物理学家在历史上比美国同行更具优势,可能会劝告他们追求自己的大型中微子实验能为国家更好地服务。“这是该战略面临的一个挑战。”Lankford说,不过他补充说,在没有日本的参与下,美国的项目可能会走在前面。

最终,该计划的成功将取决于资助它的机构,“我们相信这是一个很好的项目,它是平衡的。”Lankford说。“我们认为这是人们可以追求的东西”,如果他们不,那么这里并没有B计划。(张冬冬)

《中国科学报》 (2014-05-28 第3版 国际)
 
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