2023年12月8日，美国“粒子物理学项目优先小组”（P5）发布报告《探索量子宇宙：粒子物理学创新与发现之路》[1]，概述了美国在粒子物理学方面的优先事项以及未来十年的投资愿景。该报告确定了3个新的科学主题，即破译量子领域、照亮隐藏的宇宙、探索物理学新范式，每个主题包含两个科学驱动因素，代表了未来10~20年最有前途的研究方向。

P5小组是高能物理咨询小组（HEPAP）的一个临时子委员会，HEPAP由能源部（DOE）和国家科学基金会（NSF）联合成立，旨在为国家高能物理计划制定长期计划、优先事项和战略提供建议等。2014年P5发布的粒子物理学规划为美国粒子物理学发展发挥了重要的推动作用。2022年，DOE和NSF要求成立新的P5小组，为美国粒子物理学制定立足未来20年全球战略背景下的10年战略规划。该规划的主要内容来自于近两年美国物理学会粒子与场学部（APS DPF）组织的“斯诺马斯”会议中粒子物理学界提出的数百份各领域白皮书。

一、美国粒子物理学未来聚焦的3个新的科学主题

1、破译量子领域。亚原子领域由丰富的量子效应所支配，标准模型为亚原子领域提供了统一的框架，但并不是对量子领域的终极描述，这激励了未来十年这一主题下的两个科学驱动因素。

（1）阐明中微子的奥秘。尽管中微子是最轻的物质粒子，但它的微小质量挑战了粒子物理学的标准范式，并在量子领域开辟了一个引人注目的新探索领域。中微子有三种类型或“味”，它们会经历量子振荡。然而，中微子质量的实际值仍然未知，中微子质量顺序也没明确测量。虽然标准模型可以增强以适应中微子质量和振荡，但不知道以哪种具体方式扩展模型。此外，不同的扩展模型对宇宙的诞生做出了截然不同的预测。因此，必须进一步研究中微子的奥秘，以探索中微子物理学与标准模型之间的深层联系。

（2）揭开希格斯玻色子的秘密。希格斯玻色子与粒子物理学中最令人费解的问题有关，包括“味”的起源、物质-反物质的不对称性、暗物质和暗能量以及暴胀。2012年希格斯玻色子的发现是标准模型的重大胜利。然而，关于希格斯玻色子的性质仍然存在重大问题。希格斯场是否是一个基本场，或者它是否实际是由其他成分组成的复合场？是否只有一个希格斯玻色子，或者是否有一个更丰富的扇区包含具有新动力学的相关粒子？希格斯玻色子是否可以衰变成非标准模型粒子？希格斯玻色子与物质粒子的相互作用，其值和模式是任何理论都无法预测的。揭示希格斯粒子扇区真实性质的探索是多方面的，需要专门的实验和理论项目，需要推动精度和能量的前沿。

2、照亮隐藏的宇宙。要回答粒子物理学本身的一些最深刻的问题，需要对宇宙演化进行详细的研究，揭示暗物质、暗能量、暴胀和宇宙中其他可能在推动宇宙演化中发挥作用的粒子的潜在性质。为了阐明隐藏的宇宙，未来的工作将集中在两个主要的科学驱动因素上。

（1）确定暗物质的性质。暗物质构成了宇宙质量的绝大部分，通过引力影响其结构和星系形成。尽管有这种主导影响，但它的粒子组成和引力之外的相互作用仍然未知。这个深刻的奥秘推动了该领域所有前沿的研究。解开暗物质之谜需要多样化的方法，分为四大类：宇宙巡天、基于加速器的实验、间接探测实验和直接探测实验。宇宙巡天探测暗物质在各种长度尺度上的分布，产生有关其性质的基本数据并指导其他方法。其他三个类别搜索暗物质粒子本身。30年来，弱相互作用大质量粒子（WIMP）一直是暗物质的主要候选者，美国做了大量工作搜寻WIMP的证据。同时，理论上的进步扩大了人们对其他可能的暗物质候选者的理解，如隐藏扇区模型和量子色动力学（QCD）轴子。更多的暗物质候选者将激发多方面的努力，利用地下设施、量子传感器、望远镜和基于加速器的探测器来确定暗物质的性质。

（2）了解宇宙演化的驱动力。宇宙演化是由标准模型未描述的物理过程决定的，从最初时刻的暴胀，到由辐射和暗物质为主的中间时期，再到今天的宇宙加速。宇宙巡天试图回答的关于宇宙演化的关键粒子物理学问题包括：什么是造成早期暴胀时代快速加速膨胀的原因？在辐射占主导地位的时代，宇宙中是否存在光子和中微子之外的其他类型的光？是什么推动了当前宇宙的加速膨胀？回答这些问题需要科学家详细了解：暴胀时代产生的原始波动的本性、特性和类型，这些初始波动在今天观察到的可见物体中的演化和发展，以及宇宙膨胀历史。通过多种互补的方法测量宇宙结构的发展和宇宙的膨胀历史，可以对暴胀和暗能量进行独特的探索，同时也可以深入了解中微子的性质和早期宇宙遗迹粒子的可能存在。

3、探索物理学新范式。粒子物理学和宇宙学的主流范式分别是标准模型和含宇宙常数的冷暗物质模型（ɅCDM），它们共同解释了各种各样的现象。为了更深入地了解量子宇宙，必须绘制出这两种模型之外的未探索领域，并了解这两种范式如何结合在一起。要涉及这些未知领域，可聚焦两个主要的科学驱动因素。

（1）寻找新粒子的直接证据。通过对新粒子的直接观察过程，粒子物理学家得出了当前的范式：标准模型。然而，标准模型还远未完成。暗物质、暴胀和暗能量等都不是标准模型的一部分，有一些物理过程将产生的反物质的极小部分转化为物质，但标准模型没有解释这个物理过程。标准模型也缺乏与爱因斯坦广义相对论一致的引力量子描述。目前，关于宇宙之谜的答案被认为与尚未发现的电弱能标尺度的物理学有关。因此，了解这种能量尺度的起源以及相关物理学对宇宙的影响是当今粒子物理学的一项主要任务。回答这些问题最直接的方法是发现新的基本粒子。如果新粒子的质量非常大，它们只能直接在高能对撞机中产生，因为对撞机能量越高，可以产生的质量就越高。另一种可能性是，这些粒子是在较低的能量下产生的，但非常罕见，例如在希格斯玻色子等已知粒子的衰变中。这需要能产生大量粒子的加速器，包括具有高强度光束和大型探测器的中微子实验。新粒子的发现，或者它们不存在的明确证据，将引发重大的范式转变，并决定未来研究的方向。

（2）追寻新现象的量子印记。新粒子即使不能直接产生，它们仍然可以通过已知粒子上的量子印记留下它们存在的线索。在粒子物理学中，通过量子印记及其理论解释而实现的发现有着悠久的历史，如对放射性β衰变的研究导致了对中微子和W玻色子性质的预测、对B介子混合的测量预测了顶夸克的高质量等。高能下的新现象可以通过它们的低能量子印记来探测。量子印记可以表现在各种各样的系统中，从相对较轻的μ介子和底夸克、粲夸克和奇异夸克，到已知最重的基本粒子、顶夸克和希格斯玻色子。追求这些不易察觉的效果需要大量的数据样本。这反过来又需要产生高强度光束的加速器和能够处理强度的精密探测器。这促使人们继续投资于广泛的搜索计划，以寻找新现象的可能量子印记。

二、未来优先事项建议

1、作为独立于预算方案的最高优先级，完成建设项目并支持正在进行的实验和研究的运行，以实现最大的科学性。主要建议包括：

（1）高亮度大型强子对撞机（HL-LHC），包括超导环场探测器（ATLAS）、紧凑缪子线圈（CMS）探测器以及加速器升级项目，开始解决宇宙中希格斯玻色子凝聚的原因，寻找新粒子的直接证据，追求新现象的量子印记，并确定暗物质的性质。

（2）深层地下中微子实验（DUNE）和质子改进计划第二期（PIP-II）的第一阶段，将确定中微子质量顺序，这是宇宙学和核科学的基本特性和关键输入。

（3）薇拉·鲁宾天文台开展“时空遗珍巡天”（LSST），LSST暗能量科学合作组将了解驱动宇宙演化的因素。

此外，建议继续支持正在进行的中型实验（DOE的项目成本>5000万美元，NSF的项目成本>400万美元）的建设、运营和研究，包括中微子研究的主注入器中微子离轴中微子外观（NOvA）、短基线中微子计划（SBN）和东海到神冈（T2K）实验，暗物质研究的DarkSide-20k实验、大型地下氙-液态惰性气体闪光实验（LUX-ZEPLIN，LZ）、超低温暗物质搜寻（SuperCDMS）实验和n吨氙（XENONnT）实验，暗能量光谱仪（DESI），以及搜寻新物理现象的Belle II实验、LHC上底夸克探测器（LHCb）实验和缪子到电子转换实验（Mu2e）。

2、构建一个主要项目的组合，共同研究宇宙的几乎所有基本组成部分及其相互作用，以及这些相互作用如何决定宇宙的过去和未来。这些项目有可能超越和改变目前的范式，激发在推进人类知识前沿方面的合作和国际合作。按照优先级从高到低的顺序，规划并启动以下主要计划：

（1）宇宙微波背景实验第四阶段（CMB-S4）。CMB-S4回顾宇宙的最早时刻，以最高能量尺度探测物理。为实现科学目标，在南极和智利两地安装望远镜并进行观测至关重要。

（2）重新设想DUNE的第二阶段。包括采用“加速器综合体演化-主注入器坡道和靶”（ACE-MIRT）增强的2.1兆瓦光束的早期实现，第三个远探测器，以及升级的近探测器综合体，作为该类型长基线中微子振荡实验的最终版本。

（3）离岸希格斯工厂。将与国际合作伙伴合作实现，旨在揭示希格斯玻色子的奥秘。未来环形正负电子对撞机（FCC ee）和国际直线对撞机（ILC）目前的设计符合美国的科学要求，美国应积极参与可行性研究和设计研究。

（4）第三代暗物质直接探测实验（G3）。将建立在当前G2实验最成功的设计基础上，对暗物质标准模型相互作用提供足够小的灵敏度，从而使中微子成为不可被再简化的背景。G3实验将与国际合作伙伴协调，最好在美国进行。

（5）第二代冰立方实验（IceCube-Gen2）。它使用非束流中微子来研究中微子性质，作为DUNE的补充。它还将使用中微子作为工具，间接探测覆盖更高质量范围的暗物质。

3、改善小型、中型和大型项目之间的平衡，以开辟新的科学机会并最大限度地提高其成果，促进劳动力发展，提升创造力，并在世界舞台上竞争。包括3个建议：

（1）在DOE实施一个新的小型项目组合，即“通过敏捷实验推进科学技术”（ASTAE）项目，涵盖粒子物理学的科学主题，并发布竞争性计划和持续性资助机会公告。该计划应从DOE“暗物质新计划”（DMNI）的各种实验创建开始。

（2）继续开展中型研究基础设施（MSRI）和主要研究仪器（MRI）项目，将其作为NSF研究和项目组合的关键组成部分。

（3）支持研究宇宙演化的DESI-II、研究量子印记的LHCb升级第二阶段和Belle II升级，以及研究暗物质的切伦科夫望远镜阵列（CTA）天文台的美国贡献。

4、支持全面开发理论、计算和技术资源。主要包括：基于质子、μ介子或可能的尾流场技术，支持具有成本效益的10 TeV部分子动量中心（pCM）对撞机的大力研发，包括评估pCM对撞机在美国的选址方案，目标是在未来十年内准备好建造主要的测试设施和演示设施；加强理论研究以推动创新，最大限度地提高实验投资的科学影响，并扩大对宇宙的理解；扩大“通用加速器研发”（GARD）计划；投资仪器研发以开发创新的科学工具；开展研发工作，确定并启用未来十年的新项目，包括用于正负电子希格斯工厂和10 TeV pCM对撞机的探测器、下一代光谱巡天Spec-S5、DUNE实验的第4个模块（DUNE FD4）、Mu2e II实验、先进μ介子设施以及线强度映射（LIM）实验；支持关键的网络基础设施组件，如共享软件工具和持续的计算研发工作，以充分利用新兴技术进行项目，优先考虑计算和新的数据分析技术，最大限度地提高整个领域的科学性；制定与本报告长期愿景一致的改进费米实验室加速器综合体的计划，包括中微子、味物理和10 TeV pCM对撞机。

5、资助旨在发展员工队伍、扩大参与度和支持粒子物理学领域道德行为的计划。主要包括：所有项目、研讨会、会议和合作都必须纳入道德协议，详细说明对专业行为的期望，并建立透明的报告、响应和培训机制；资助机构应继续支持扩大粒子物理学参与的项目，包括战略学术伙伴关系项目、培训项目以及支持留住人才的项目；应在资助机构的支持下进行全面的工作环境研究；资助机构应战略性地增加对大学研究科学家、研究硬件和软件工程师、技术人员和其他专业人员的支持；向公众传播科学成果的计划应包括在实验的运行和研究预算中。

6、在21世纪20年代后期召集一个目标导向的决策小组。该小组由粒子物理学的广泛成员组成，在预计有关离岸希格斯工厂的重大决策或可能需要对基于加速器的研发组合进行重大调整时，就美国基于加速器的计划做出决定。                                  

 （黄龙光）