粒子物理学者が今後10年のロードマップを提示します。

12月8日金曜日：この記事は、最初に公開された後に発生した投票を含めるように更新されました。

科学者たちは以下を承認した。 青写真 金曜日に米国で開かれる粒子物理学の今後20年間。 高エネルギー粒子物理学分野で米国の優位性を回復することを目指しています。

新しい戦略は、物理学者にアメリカの土地に建設することができる革命的な粒子衝突のための基礎を築き始めるように要求します。 機械は電子に似ていますが、より質量の大きい点状の小さなミューオンと衝突します。 ミュオンは、CERNの大型アグレッシブクラッシャーで使用されるプロトンよりも費用対効果が高く、新しい力と粒子の探索をこれまで以上に深く未知の世界にプッシュします。

そのようなプロジェクトの敷地はおそらく フェルミ国立加速器研究所 イリノイ州では、1993年に議会が巨大な超伝導スーパー衝突機をキャンセルしたとき、ヨーロッパに譲渡された米国の粒子物理学を優れた位置に復元しました。 しかし、少なくとも10年はかかるでしょう ミューオン衝突機が動作し、コストがどれくらいかかるかを示すために。

米国粒子物理学の今後10年に対するビジョンを提示する任務を引き受けた委員会は、「量子宇宙探検：粒子物理学の革新と発見への道」というタイトルの報告書で「これが私たちのミューオンショットです」と明らかにしました。 で発表され議論された。 会議 木曜日と金曜日にワシントンDCで開催される予定であり、さらに議論がある予定です。 フェルミ研究所で 来週。

報告書はまた、ニュートリノと呼ばれる亜原子粒子の性質を調査する次世代実験に投資する必要性を強調しました。 宇宙マイクロ波背景、ビッグバンの遺物放射線。 そして暗黒物質、銀河系を一緒に結ぶ重力接着剤。 パネルはまた、2012年に発見されたヒッグス・ボソン研究に専念するヨーロッパまたは日本の将来の施設に参加することを推奨しました。 この施設は、他の粒子がどのように質量を得るかを理解するための鍵でした。

委員会を率いたカリフォルニア大学バークレー校の物理学者の村山ひとし（Hitoshi Murayama）は、「私たちが今見ている140億光年の大きさの宇宙の大きさは、実際に宇宙時間の初期には核の大きさよりも小さかった」と話した。 そういうわけで、私たちの分野は実際に基本的なコンポーネントを探すのではなく、宇宙が全体的にどのように機能するのかをより大きな絵を描くことです.」

公式に粒子物理学プロジェクト優先順位パネル（P5）として知られているこの委員会は、米国エネルギー省と国立科学財団から当該分野の未来のためのロードマップを設けるという任務を受けました。 3年間の過程は、粒子物理学界全体の意見を収束することから始まり、最終報告書は、国家機関が今後10年間に優先順位を置くべき事項に対する推奨事項となります。

過去のP5レポートは発見のための構築：グローバルな文脈におけるアメリカ粒子物理学のための戦略的計画「ヒッグスボソン発見直後の2014年に出版されました。」 これは、科学者が自然の力と粒子について実験室で知ってテストするすべてを説明し、創始者に数多くのノーベル賞を与えた量子方程​​式のコレクションである標準モデルの膨大な成功でした。

しかし、標準モデルは重力、つまりブラックホールや宇宙を押し出す「暗黒エネルギー」については何も言いません。 また、銀河系を覆っている目に見えない物質である暗黒物質も説明しません。 また、その問題についてはヒックを説明しません。

過去10年間、物理学者たちはこの分野でほとんど進歩を遂げていません。 彼らは暗黒物質を識別することに失敗し、彼らの最も人気のある仮説のいくつか、特に超対称という概念は、少なくとも暗黒物質の説明として排除される危機にさらされています。

次の10年のレポートを作成するプロセスには、次のものが含まれました。 シアトルスノーマス夏の研究 2022年には、物理​​学者がこの分野の将来計画を提案する数百の論文を提出しました。 研究の概要を以下のようにまとめた。 700ページ分量の本。 村山博士はこれを「ボトムアップ」プロセスと呼び、「私はこれを実際に民主主義と定義しています」と述べました。

ニューメキシコ大学の物理学者でありエネルギー省の高エネルギー物理学諮問パネルの議長であるSally Seidelは、このプロセスを何千人もの研究者をひとつに集めた「驚くべき好奇心の印」と説明しました。 彼女は電子メールに「粒子物理学を探求するとき、これより興味深かった時を覚えていない」と書いた。

P5委員会の推奨事項は、米国エネルギー省によって提示された2つの予算シナリオを考慮しました。 1つの「ベースライン」ケースでは、部門の予算が基本的にインフレに追いつき、毎年3％増加することが予想されます。 このシナリオでは、委員会は次の主要プロジェクトの推進を強調しました。 チリと南極大陸の望遠鏡システム 宇宙マイクロ波背景研究、海外ヒックス工場の実施と IceCubeの拡張バージョン宇宙のエキゾチックなソースからニュートリノを捉える南極の氷に凍った観測所です。

この予算シナリオを使用すると、米国に基づいたパーティクル衝突機のビジョンをサポートする余地があります。

CERN機械のような粒子衝突器は、エネルギーと質量が交換可能であるというアインシュタインの啓示からその魅力を得る。 衝突時にエネルギーが多くなるほど、生成できる粒子の質量は大きくなります。 プロトンはクォークとグルオンとして知られているより小さな粒子からなる汚れたポケットであるため、それらを互いに壊すとプロトンの全エネルギーのほんの一部しか放出されません。 一方、ミューオンは基本的です。 （科学者が知っている限り）内部コンポーネントがないため、衝突はよりエネルギーに満ちた結果を利用します。

ミューオン衝突機は現在世界最大の衝突機であり、今後10年間にわたって粒子物理学を支配すると予想されるCERNの大型降入者衝突機の後継と考えられる3つのオプションのうちの1つです。 中国とCERNは、それぞれ約60マイルの新しい衝突機を構築する方法を模索しました。 この衝突エネルギーは、大規模な入射者衝突装置の14兆電子ボルトに比べて100兆電子ボルトに達し、エネルギーと時間の見通しを開きます。

原則として、数マイルに達する地下トンネルではなく、卓上で行うことができるもう1つの可能性は、後流場加速と呼ばれ、粒子は高度にイオン化されたガス、すなわちプラズマの波の上でサーファーのように推進されます。

Northeastern Universityの物理学者であるToyoko Orimotoは、これらの推奨事項が野心的で興味深いと考えました。 「今後10年は粒子物理学にとって非常に興味深い時間になるでしょう」と彼女は言いました。

報告書はまた、年間資金増加率が2％にすぎず、支援が効果的に削減される暗い予算シナリオも考慮しました。 この場合、委員会は、米国がサウスダコタの新しい地下実験室で次世代暗黒物質実験を開催する希望を放棄し、最初からアップグレードを計画しなければならないと述べた。 すでに高価な深海地下ニュートリノ実験の建設が進行中です。あるいは、DUNEはその分野における国家のリーダーシップをさらに弱体化させます。

「米国は粒子物理学の特定の分野でリーダーシップを譲らなければならないでしょう」と、P5副議長であり、イェール大学物理学者であるKarsten Heeger氏は語った。 「それは現場とその越しに感じられる影響になるでしょう。」

これらすべてが失敗した場合、報告書は連邦政府がヒッグスやその他のまれな現象の詳細な研究のために大規模な降入者衝突機の明るさまたは衝突速度を上げることを含む既に約束されたプロジェクトを続けることを促します。 続く建設 ベラC.ルビン天文台、宇宙の低速撮影映画を作成するために設計されたチリの望遠鏡。 そしてDUNEの限定版です。

P5委員会に属していないハーバード物理学者のリサ・ランダルは、「彼らは何をすべきかをやった」と述べ、現在の予算問題を克服する準備をしながら、将来に対する希望のビジョンを提示しました。

シカゴ大学の引退した宇宙学者であるマイケル・ターナーと国立科学院で関連研究を主導しているカリフォルニア工科大学のマリア・スピロプルは、共同電子メール声明でこれを「大胆な計画」と呼びました。

これらのプロジェクトの寿命は数十年にわたっているため、委員会は最終的にプロジェクトを担当する初期のキャリア科学者への支援を強調しました。 「彼らは未来だ」と村山博士は言った。

伝道有望な物理学者たちはこの承認に非常に喜んでいます。 ミューオン衝突機の研究に参加しているテネシー大学物理学者のトーバ・ホームズ（Tova Holmes）は、「まだ自分のキャリアでより良い部分を占めている人として、私はこの分野に参加したい」と述べました。 デザイン。 「新しいことを試み、新しい技術を開発し、自分の可能性を信じる大きな野望を持った人」

委員会は、物理学コミュニティの内部と外部の両方で計画の支援を得ることに焦点を当てます。 特に、村山博士は、部署の予算への投票方法について、国会議員とコミュニケーションをとる従業員の関心を集めたかった。

村山博士は「基礎研究は難しいことです」と述べました。 「社会にとって即時の利益になるわけではありません。」 しかし、その対価はそれほど価値があると彼は付け加えた。 粒子物理学は、医療アプリケーション、材料科学、さらにはiPhoneとWorld Wide Webの生成に革命をもたらしました。

しかし、村山博士によると、その利点は、その分野が社会に与える影響を超えています。 彼は、「粒子物理学は、私たちが誰であるのか、そして私たちが誰であるのかという鍵です。 物理学者であるかどうかにかかわらず、私たちは皆、私たちが存在する理由、どこから来て、どこに行くのか理解したいと思います」と付け加えました。 」