Kế hoạch mới cho Vật lý hạt Mỹ: Đi quốc tế

Đây là một canh bạc mà các nhà vật lý hạt hàng đầu của Hoa Kỳ nói rằng họ phải thực hiện: Cuối cùng, họ bắt đầu xây dựng hệ thống tiếp theo của mình tại phòng thí nghiệm vật lý hạt duy nhất của Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia (Fermilab) ở Batavia, Illinois. một sự hợp tác quốc tế, ngay cả khi điều đó có nghĩa là nhường lại quyền kiểm soát trực tiếp thử nghiệm cho một hội đồng của các quốc gia thành viên.

Khuyến cáo đó xuất phát từ bản đồ dự thảo về vật lý hạt của Hoa Kỳ được trình bày hôm nay cho hội đồng tư vấn liên bang ở Washington, DC được Bộ Năng lượng (DOE) và Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) yêu cầu 8 tháng trước, báo cáo của ad hoc Bảng ưu tiên dự án vật lý hạt (P5) phần lớn bao gồm các dự án chính tương tự mà các nhà vật lý đã nghiên cứu trong nhiều năm. Nhưng nó tấn công một giai điệu quốc tế quyết định hơn so với kế hoạch trước đó. "Theo đuổi những cơ hội quan trọng nhất mọi lúc mọi nơi và tổ chức các cơ sở độc đáo, đẳng cấp thế giới thu hút cộng đồng khoa học toàn cầu, " đọc những khuyến nghị đầu tiên trong số 29 khuyến nghị.

"Tôi nghĩ rằng trường hợp tiến hành theo cách này có sức thuyết phục [vì] hợp tác, chúng ta có thể giải quyết tất cả các vật lý" ban đầu được hình dung cho dự án Fermilab, Andrew Lankford, một nhà vật lý hạt tại Đại học California (UC), Irvine, và chủ tọa của Hội đồng tư vấn vật lý năng lượng cao của DOE và NSF (HEPAP), ủy nhiệm báo cáo. "Câu hỏi là, những người ra quyết định ở Washington sẽ đánh giá cao nó?"

Lập biểu đồ một khóa học trong thập kỷ tới, báo cáo kêu gọi Fermilab xây dựng một cơ sở neutrino dài cơ sở. Các megapixel sẽ bắn neutrino 1300 km đến một máy dò ngầm khổng lồ chứa 40.000 tấn chất lỏng lạnh lẽo argon đặt xuống 1480 mét trong một mỏ vàng bị bỏ hoang ở Nam Dakota. Nó sẽ nghiên cứu làm thế nào ba loại hoặc "hương vị" của neutrino biến hình hoặc "dao động" với nhau khi chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng gần. Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm sự bất đối xứng giữa cách neutrino và phản neutrino dao động, điều này có thể giúp giải thích làm thế nào vũ trụ tiến hóa tạo ra rất nhiều vật chất và rất ít phản vật chất.

Các nhà nghiên cứu của Fermilab đã có một kế hoạch cụ thể cho một dự án như vậy, được gọi là Thí nghiệm neutrino dài cơ bản (LBNE). Nhưng những hạn chế về ngân sách đã khiến nó giảm đi rất nhiều đến mức không còn đáng làm nữa, P5 nói. Nó khuyến nghị bắt đầu lại để xây dựng một thử nghiệm quốc tế thậm chí còn tham vọng hơn đề xuất LBNE ban đầu. Nhưng DOE, nhà tài trợ chính của vật lý hạt Mỹ, rất có thể sẽ phải nhượng lại quyền kiểm soát nó, giám đốc của Fermilab, Nigel Lockyer nói. "Đối với tôi, đây là một khoảnh khắc biến đổi, " ông nói. "Nhưng chính phủ Mỹ phải chấp nhận rằng họ phải từ bỏ một cái gì đó theo cách họ thường làm."

Khi đi quốc tế, P5 đã đi theo sự dẫn đầu của các nhà vật lý hạt châu Âu vào tháng 5 năm ngoái, khi họ sửa đổi chiến lược dài hạn của họ. Báo cáo châu Âu đề nghị chia sẻ các dự án lớn nhất của lĩnh vực này giữa châu Âu, Hoa Kỳ và Nhật Bản. Châu Âu sẽ tiếp tục vận hành máy nghiền nguyên tử năng lượng cao nhất thế giới, Máy va chạm Hadron lớn (LHC) dài 27 km tại phòng thí nghiệm vật lý hạt châu Âu, CERN, ở Thụy Sĩ, 2 năm trước đã khai quật được boson Higgs tìm kiếm từ lâu. Châu Âu sẽ sẵn sàng đóng góp cho một thí nghiệm neutrino khổng lồ, có lẽ ở Hoa Kỳ, và cho Máy va chạm tuyến tính quốc tế (ILC) được đề xuất. Máy va chạm electron-positron dài 30 km đó sẽ nghiên cứu boson Higgs rất chi tiết và các nhà vật lý Nhật Bản hy vọng sẽ lưu trữ nó.

Để phù hợp với tầm nhìn toàn cầu đó, báo cáo P5 đặt ưu tiên hàng đầu cho việc Mỹ tiếp tục tham gia LHC và nói rằng các nhà vật lý nên làm việc theo kế hoạch để nâng cấp gấp 10 lần tốc độ mà LHC đập vỡ các proton. Hơn 1200 nhà vật lý làm việc trên hai thí nghiệm lớn nhất được cung cấp bởi LHC, một số lượng lớn của cộng đồng vật lý hạt Mỹ. "Các nâng cấp LHC là dự án lớn gần hạn ưu tiên cao nhất của chúng tôi", Steven Ritz, nhà vật lý từ UC Santa Cruz và chủ tịch P5, nói với HEPAP. Tương tự, nếu Nhật Bản đi tiếp với ILC, thì Hoa Kỳ nên tham gia cộng tác mà tiền cho phép.

Nhìn chung, báo cáo P5 đề cập đến toàn bộ danh mục vật lý của Hoa Kỳ, bao gồm các dự án lớn và nhỏ. Ví dụ, được thông báo bởi một cuộc khảo sát cộng đồng kéo dài một năm được gọi là quá trình Snowmass, họ khuyến nghị tăng ngân sách cho các thí nghiệm ngầm nhỏ hơn nhằm phát hiện các hạt vật chất tối - vật chất bí ẩn có lực hấp dẫn liên kết các thiên hà. Ngược lại, nó kêu gọi chấm dứt các nỗ lực R & D hiện tại để phát triển một máy va chạm đập vỡ muon, anh em họ điện tử không ổn định nặng hơn và một số dự án khác.

Các nhà vật lý và quan chức DOE hy vọng kế hoạch này sẽ giúp thống nhất cộng đồng hạt Mỹ, nơi họ lo sợ đã trở nên rời rạc. Một số nhà vật lý nổi tiếng đã đặt câu hỏi về giá trị của việc xây dựng thí nghiệm neutrino và thay vào đó đã thúc đẩy nỗ lực lớn hơn đối với ILC hoặc trong nghiên cứu vật lý thiên văn.

Vấn đề đó đã trở nên trầm trọng hơn do cắt giảm kế hoạch LBNE. Các nhà vật lý Fermilab đã hình dung việc chế tạo máy dò neutrino chứa 34.000 tấn argon lỏng ở Homestake. Sâu dưới lòng đất, máy dò cũng có thể đã tìm kiếm các dấu hiệu cho thấy các proton trong chất lỏng phân rã argon dự đoán chính của một số lý thuyết và phát hiện neutrino từ các siêu tân tinh. Nhưng các quan chức DOE đã chùn bước trước mức giá 1, 9 tỷ USD của LBNE. Vì vậy, vào tháng 8 năm 2012, các nhà vật lý Fermilab đã đề xuất một phiên bản trị giá 789 triệu USD với máy dò có kích thước nhỏ hơn một phần ba trên bề mặt. Nó có thể chỉ nghiên cứu dao động neutrino và chỉ trong một cách hạn chế.

Tuy nhiên, có một trở ngại tiềm năng trong tầm nhìn toàn cầu của P5. Hội thảo phải xem xét phải làm gì theo ba kịch bản: Một trong đó ngân sách vật lý hạt của DOE, hiện là 797 triệu đô la, tăng 5% sau 10 năm, một trong số đó tăng 17% sau 10 năm và một trong đó không bị ràng buộc . Trong một trong hai trường hợp đầu tiên, Hoa Kỳ không thể đủ khả năng đóng góp nhiều hơn số tiền R & D khiêm tốn và có lẽ một số phần cứng cho ILC.

Điều đó có thể gây ợ nóng cho những người ủng hộ ILC của Nhật Bản, những người lo lắng cho các quốc gia khác cam kết với dự án. Và các nhà vật lý neutrino Nhật Bản, những người trong lịch sử có lợi thế hơn các đồng nghiệp Hoa Kỳ, sau đó có thể lập luận rằng đất nước của họ sẽ được phục vụ tốt hơn bằng cách theo đuổi thí nghiệm neutrino khổng lồ của riêng họ, đã có trong kế hoạch. "Đó là một thách thức cho chiến lược, " Lankford nói, mặc dù ông nói thêm rằng dự án của Hoa Kỳ có thể đi trước mà không cần sự tham gia của Nhật Bản.

Cuối cùng, sự thành công của kế hoạch sẽ phụ thuộc vào việc cộng đồng có mua nó hay không, Lankford nói. "Chúng tôi tin rằng đây là một chương trình tốt và nó cân bằng", Lankford nói. "Chúng tôi nghĩ rằng đó là thứ mà mọi người có thể nhận được." Nếu họ không, các nhà nghiên cứu nói, không có kế hoạch B.

* Sửa chữa, 27 tháng 5, 3:53 chiều: Câu chuyện đã được sửa đổi để sửa các kịch bản ngân sách mà hội đồng đã xem xét.