大型强子对撞机|知己知彼，方能追赶或赶超，看看美国物理学家在忙什么？
十年前 ， 美国粒子物理界陷入混乱 。 高能前沿已经移交给了欧洲核子研究所（CERN） ， 即日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室 ， 2012年 ， 世界上最大的原子对撞机大型强子对撞机（LHC）撞击出了久违的希格斯玻色子 ， 这是粒子物理学家标准模型中的最后一块 。
一些物理学家希望美国建立一个巨大的实验 ， 将难以捉摸的粒子中微子发射到地球上 ， 以研究它们是如何“振荡”的 ， 即在它们快速移动时 ， 从三种类型中的一种变化到另一种类型 。 其他国家则希望美国帮助推动下一个大型对撞机的研制 。
在2013年各方力量的博弈和争论后 ， 美国研究人员同意建造中微子实验室 ， 但为了将它建的足够大 ， 足够好 ， 他们确定了通过邀请国际合作伙伴 ， 分摊建设成本并借鉴国外顶级科学家的智慧 。 他们还决定继续全面参与大型强子对撞机 ， 并在国内开展各种小型项目 。 在全方位考虑了总预算和项目的复杂度 ， 他们确定了下一个对撞机必须等待的决定 。
【大型强子对撞机|知己知彼，方能追赶或赶超，看看美国物理学家在忙什么？】
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物理学家们刚刚开始构建中微子实验室的核心 。 伊利诺伊州费米国家加速器实验室的长基线中微子设施将通过1300公里的岩石将粒子发射到位于南达科他州的深层地下中微子实验设施 ， 这是一个装满4万吨冷液态氩的探测器 。 长基线中微子设施/深层地下中微子实验设施将于2026年面世 ， 其目标是对中微子振荡以及中微子和反中微子之间是否存在差异进行决定性研究 ， 这将有助于解释宇宙为什么产生了比反物质更多的物质 。
杜克大学的中微子物理学家凯特·斯科伯格说：“中微子界的焦虑比上次低了很多 。 ” 。 “深层地下中微子实验设施计划至少要持续到20世纪30年代 。 ”然而 ， 研究人员已经在考虑对这项耗资26亿美元的实验进行升级 。
在其他领域 ， 未来似乎不那么确定 。 例如 ， 上一次 ， 科学家们在寻找暗物质粒子的过程中有一条非常清晰的道路——迄今为止还未被确认的物质似乎弥漫在星系中 ， 并与星系的引力联系在一起 。 研究人员建造了小型的地下探测器 ， 用来搜寻弱相互作用的大质量粒子（WIMPs）的信号 ， WIMPs是主要的暗物质候选者 ， 而显而易见的计划是把探测器扩大到吨级 。
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斯坦福地下研究中心的物理学家们组装了勒克斯-泽普林暗物质探测器的心脏 ， 它将容纳7吨液态氙气
现在 ， 两个超吨位的WIMP探测器正在建造中 。 但到目前为止 ， WIMPs还没有出现 ， 进一步扩大投资这项技术“可能不会有很好的作用” ， 密歇根大学安娜堡分校的物理学家马塞尔·索罗斯·桑托斯说 。 研究人员现在正考虑寻找其他类型的暗物质粒子 ， 使用利用量子力学效应的新型探测器来达到精细的灵敏度 。
这个领域的一个长期问题是下一个伟大的粒子对撞机将是什么 。 布朗大学的物理学家米纳克希·纳拉因说 ， 显然需要一种能将电子发射到正电子中 ， 产生大量希格斯玻色子并详细研究其性质的装置 。 但可能的设计各不相同 。 日本的物理学家正在讨论这样一个希格斯工厂 ， 它是一个30公里长的线性电子正电子对撞机 。 与此同时 ， 欧洲核子研究所已经开始研究一个80到100公里的环形对撞机 。 中国也有类似环形对撞机的计划 。
然而 ， 费米实验室的加速器物理学家弗拉基米尔·希尔采夫（Vladimir Shiltsev）说 ， 这些并不是唯一可能的选择 。 他们收到了至少16种不同的对撞机方案 ， 其中一种方案是将重的、不稳定的近亲电子μ介子粉碎在一起 ， 另一种方案使用光子 。
费米实验室负责研究的副主任乔利肯（Joe Lykken）建议物理学家提议相关国家支持建设一项与粒子无关的大规模实验：下一代引力波探测器 ， 当黑洞等大质量物体相互旋入对方时 ， 会引发时空涟漪 。 2015年 ， 激光干涉仪重力波观测站（LIGO）发现了这一现象 ， 开启了一扇了解宇宙的新窗口 。
LIGO由两个L型光学仪器组成 ， 在路易斯安那州和华盛顿州有4公里长的手臂；它是由国家科学基金会建造的 。 Lykken说 ， 下一代地面探测器可能是原来的10倍 。
在接下来的一年里 ， 美国能源部将根据研究人员已经提出的2000多个想法 ， 制定新的研究计划和拨付相关的资金 。 “无论科学家提出什么样的想法 ， 他们需要确保他们在执行项目的过程中 ， 可以成为其领域或者其它领域的典范 。 ”美国能源部高能物理副主任吉姆·西格里斯特（Jim Siegrist）说道 。
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