美国粒子物理学陷入僵局

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科学家齐聚密西西比斯诺马斯共商大计

图片来源：ADAPTED FROM FERMILAB GRAPHIC

在上世纪80年代和90年代，每隔几个夏天，美国粒子物理学家就会聚集在科罗拉多州一个名为斯诺马斯的豪华滑雪圣地，评估当时该领域的研究情况，商讨下一步的计划。近日，粒子物理学家计划进行自2001年后的首次会面。但这一次，他们的聚会地点选在了一个不是那么高端的地方——明尼苏达大学双子城分校，而会议议案则将其称为“密西西比河上的斯诺马斯”。

本次会议地点的更换主要是受到目前美国政府针对会议开支的限制，但这似乎也象征着该国粒子物理学所面临的困境。美国能源部（DOE）划拨到高能物理学的预算目前为7.52亿美元，跟过去10年相比缩水了15%。

越来越多的美国研究人员选择在海外开展工作，而不是在本土仅有的粒子物理实验室——伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室（Fermilab）——进行实验。一些美国物理学家对Fermilab未来10年的主要项目——所谓的长基线中微子实验（LBNE）并不热心。

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Jonathan Rosner说，斯诺马斯会议并没有为学界指明新的前进道路。相反，物理学家需要去探索针对粒子物理未来发展的所有选择。Rosner说：“我们可以提供的是：向非专业研究者解释为什么粒子物理学值得进一步支持，并证明我们可以做到。”他说，物理学家将编撰一套白皮书，详尽描绘粒子物理中包含的科学机遇。一个独立粒子物理项目优化小组（P5）将在明年设置研究的重点。

最后一届斯诺马斯会议召开之时，美国粒子物理项目处于世界领先地位。Fermilab有世界上能量最高的核粒子加速器——7公里长的万亿电子伏特加速器（Tevatron）。Tevatron曾发现一种名为“顶夸克”的粒子。

但变化就在眼前。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），能够以比Tevatron更高的能量粉碎质子，并于去年探测诸如希格斯玻色子等猎物——这种粒子对于解释为什么其他基本粒子具有质量这一问题至关重要。

为了保持在学界的竞争力，美国物理学家计划建造一个巨大的直线对撞机。在当时的斯诺马斯会议上，他们达成了共识：优先建造一个国际直线对撞机（ILC）。

但甚至一些当时推动该计划的人，现在都认为这是一个错误决定。参加相关文件撰写的SLAC国家加速器实验室理论家JoAnne Hewett说：“很多人觉得他们是被迫同意了该文件。”2007年，DOE表示无法负担该项目50%的资金份额——约为70亿美元。

2008年5月，P5发布了一份报告，将粒子物理细分为三个“前沿”。在能量前沿上，美国物理学家将参与LHC的实验。在宇宙前沿上，其他研究者将致力于地下实验，以探测暗物质粒子或天文学实验，从而了解宇宙延展暗能量的本质。在强度前沿环节，Fermilab的实验要求最大强度的质子束。这种质子束能够用来产生中微子。

这样的实验旨在研究3种类型的中微子如何从一种类型转变成另一种类型——通常称为中微子振荡。P5提议Fermilab继续进行有决定性意义的中微子振荡实验。LBNE实验将利用储存在南达科他州里德附近废弃的霍姆斯特克矿地下的巨型探测器，探测从1300公里外的Fermilab发出的中微子束。

LBNE的支持者指出，研究中微子振荡是很有希望的。LBNE将探索中微子和反中微子是否产生不同的振荡，这种不对称性有助于解释宇宙中的物质数量为何远远超过反物质。

批评者则指出，中微子物理学研究领域过于狭窄，不足以支持美国国家计划。加州大学圣塔巴巴拉分校理论物理学家David Gross说：“即使我们测量了所有的参数，该计划终会走向尽头。从事科学工作的人主要集中在大学，他们习惯‘用脚投票’，他们工作于LHC。”

去年，DOE认为，LBNE项目最初19亿美元的预算过于昂贵，要求该项目缩减成本。这使得中微子物理学研究更加迷雾重重。一些研究者表示，即使对于中微子物理学家而言，缩水后的计划无法激起他们的研究兴趣。

是否存在可行的方案来替代目前的计划？Gross的回答是肯定的。欧洲计划在2020年对LHC项目进行一次重大升级，而日本则希望成为ILC项目的主导者。Fermilab也可以把重心转移到海外，让美国继续专注于能量前沿的研究。

但其他人表示，如果没有Fermilab开展主要研究，整个计划将在政治上无法维持。他们希望来自其他国家的支持能帮助LBNE恢复其原貌。上个月，欧洲物理学家也表态：他们愿意在其他地区开展中微子实验。

最终，一些物理学家指出，P5可能调整现有的计划。但是有人担心，经过一番权衡，DOE官员会把在海外开展能源前沿研究或是在本土开展强度前沿研究视作非此即彼的选择。

早在国会批准了2012财年预算后，众议院就建议DOE必须在这两个具有竞争力的方向中区分优先级。Hewett说：“我认为，为LHC工作的研究者只是专注于研究数据本身，并不清楚现在的形势。”

一些物理学家表示， 他们希望能在新斯诺马斯会议上看到被优先考虑的项目。

（段歆涔）

《中国科学报》