6月11日，美国国家科学院发布报告《基本粒子物理学：希格斯玻色子与未来》^[1]，为粒子物理学领域提出了一个全面的长期愿景，以进一步加深对物质、能量、空间和时间的理解。报告呼吁美国启动一项国家研发计划，以在未来40年内建造μ子对撞机。

1、粒子物理学发展现状。目前，粒子物理学家致力于理解时空和宇宙的起源、粒子及其相互作用的统一方式，以及量子力学与引力的关联。

（1）加速器。加速器在粒子物理学中继续发挥核心作用，是直接探索新物理学的最强大工具。建造能量更高、束流强度更强的加速器面临诸多挑战，这也凸显了加速器科学与技术对未来发展的重要性，这些技术进步也将为其他科学领域和整个社会带来更广泛的应用。

（2）加速器以外。粒子物理学已远远超出了以加速器为核心的范围。物理学家正在地下实验室建造超灵敏探测器，以探测银河系晕中暗物质粒子的特征。望远镜正被用于跨越整个电磁波谱，以探究宇宙的起源和演化，寻找关于暗物质本质的线索，并理解神秘的暗能量。

（3）中微子。中微子是目前粒子物理学研究的焦点之一，目标是更好地理解它们的质量和混合角，以及中微子与反中微子之间的差异。实验计划包括粒子加速器、核反应堆、超灵敏地下探测器以及南极洲冰层下的千米级阵列。

（4）搜索标准模型预测的微小偏差。这可能为新现象提供重要线索，其中包括味破缺和电荷-宇称（CP）对称性实验。物理学家使用各种捕获的粒子和一系列桌面实验，在所有尺度上寻找新的自然力。

（5）理论粒子物理学也变得更加广泛。过去曾经是独立的研究领域，现在联系更加紧密，从量子场论、弦理论和引力物理之间深层联系的发现，到与凝聚态物理、量子信息科学和纯数学的新互动。此外，一些理论家与实验的联系比以往任何时候都更加紧密，他们可以设计甚至领导实验工作。

2、重大科学问题。当前粒子物理学的重大问题主要包括：

（1）力和物质的规律由什么决定？基本粒子的质量跨度超过12个数量级，却没有明确的模式或解释。夸克和轻子的其他性质也存在迄今无法令人信服地解释的模式。大型强子对撞机（LHC）和未来加速器的实验可以为这些谜团提供线索。

（2）为什么宇宙中物质比反物质多？宇宙中的物质超出现象，可以解释为早期宇宙中粒子相互作用违反电荷共轭和CP对称性以及重子数守恒的结果，中微子和希格斯玻色子也可能发挥作用。通过对中微子性质的精确测量、寻找无中微子双β衰变，以及在LHC和未来对撞机中更好地理解希格斯玻色子等，可以取得进展。

（3）为什么希格斯玻色子如此之轻，它如何与自身相互作用？希格斯玻色子是所有基本粒子中最简单且最令人困惑的一种。希格斯玻色子与夸克和轻子的耦合为它们提供了质量；然而，希格斯玻色子自身的轻质量是一个深奥的谜团，其自相互作用尚未被测量。高亮度LHC将测量其性质，确定它是否具有亚结构或是否真正是基本粒子，以及这可能对宇宙演化意味着什么。

（4）暗物质和暗能量的本质是什么？暗物质和暗能量通过其引力效应被观测到，构成了宇宙中大部分的物质和能量，是宇宙学的核心；然而，它们的许多性质尚未确定。探测和研究暗物质和暗能量是实验粒子物理学和天体物理学最紧迫的目标之一。

（5）原子和亚原子力与引力如何统一？物理学的一个重大挑战是对引力和其他自然力进行统一描述。标准模型力的外推表明，这种统一发生在极短的距离上。质子衰变、额外空间维度、超对称性（或其他新的自然对称性）的观测，以及理论理解的进展，都可能推动这一基础物理学终极目标的实现。

（6）时空和宇宙的起源是什么？对量子引力的理论理解进展表明，空间和时间是涌现现象，其量子起源是可以理解的。这些想法正在解决黑洞的一些悖论特征，它们的进一步发展可能彻底改变对时空几何的理解，并解决宇宙的初始条件及其最终命运等问题。

3、未来发展愿景与建议。粒子物理学的未来40年有望成为一个意义深远的探索、发现以及突破性技术发展的时期。该领域的研究将由对物质、能量、空间和时间的基本问题的探索所驱动。由于直接实验研究普朗克体系无法实现，驱动宇宙加速膨胀的真空能量无法通过实验操纵，只能观测，这使得希格斯粒子成为该时期中最重要的角色，可以进行直接、可控的实验研究。两种新型的对撞机将充分揭示希格斯玻色子的性质，并探索10 TeV前沿，以寻找LHC无法触及的新粒子和新现象。

（1）μ子对撞机。一台能量约为LHC 10倍的对撞机对于解决粒子物理学的重大问题和取得发现至关重要。费米国家加速器实验室的10 TeV μ子对撞机将具有与100 TeV质子对撞机相似的发现能力。μ子对撞机结合了正负电子对撞机和质子-质子对撞机的物理优势，且尺寸小得多。以前从未尝试过让不稳定的基本粒子发生对撞，这需要大量的研发、国际协调和一个示范项目来确定其可行性。开发由美国主导的μ子对撞机将巩固美国在粒子物理学领域的领导地位，并推动加速器创新。因此，报告建议，美国应在本世纪中叶前后主导建设世界上能量最高的基本粒子对撞机。这需要立即启动国家μ子对撞机研发计划，以促成关键新技术及其集成的演示器的建造。

（2）希格斯工厂。希格斯工厂计划，是在一个100公里长的大型环中，以约两倍于希格斯粒子质量的能量对撞正负电子，产生数百万个希格斯粒子，从而能够对其产生和衰变进行高精度测量。目前设计成熟的希格斯工厂提案包括欧洲核子研究中心（CERN）的未来环形正负电子对撞机（FCC-ee）、国际直线对撞机（ILC）、环形正负电子对撞机（CEPC）等，处于更早发展阶段的概念设计包括冷却铜对撞机、希格斯能量轻子对撞机、环形能量回收对撞机、能量回收直线加速器、再循环直线正负电子对撞机等。报告建议，美国应积极参与FCC-ee，优先事项是帮助确保国际希格斯工厂及时建成。

此外，报告还建议：美国应继续追求和开发新的方法来解决各种问题，如更大规模的红移巡天（宇宙学调查），新一代超灵敏量子传感器和探测器（暗物质研究），电偶极矩、罕见μ子衰变或μ子磁性偏差的观测（稀有衰变）等；探索跨传统学科和资金边界的新的协同伙伴关系，如天文学、粒子天体物理学、核物理学、引力、原子物理学和量子科学等；在加速器科学技术、先进仪器、所有计算领域、来自其他学科的新兴技术以及良好的核心研究计划方面提供持续的研发资金。

（黄龙光）