近日，美國費米實驗室官網發布2024年在粒子物理學、加速器技術、量子信息科學和天體物理學等多個領域取得的科學和技術進步，其中深層地下中微子實驗(DUNE)項目、質子改進計劃二期項目等應用于核技術與核物理研究項目得到重要進展。

以下是該實驗室今年的十大亮點：

DUNE項目取得重要進展：費米實驗室作為深層地下中微子實驗(DUNE)的主辦實驗室，今年在DUNE項目上取得了多個里程碑式的進展。包括完成洞穴挖掘、舉行剪彩活動、成功測試降低鋼梁等，為遠探測器的安裝和未來實驗的進行奠定了堅實基礎。此外，DUNE近場探測器的原型也首次看到了加速器制造的中微子。

兩個巨大的洞穴已經完工，每個洞穴長度超過 500 英尺，高度為七層樓，用于容納長基線中微子設施/深層地下中微子實驗的巨型粒子探測器模塊，這是費米實驗室領導的一項國際合作。第三個洞穴將容納 DUNE 遠探測器運行所需的公用設施。圖片來源：Ryan Postel，費米實驗室

該國際合作項目旨在探索中微子，解答宇宙最大問題。1,400多名科學家來自35國及歐洲核子研究中心參與。DUNE將建于南達科他州和伊利諾伊州的設施中，遠探測器洞穴挖掘已完成，剪彩活動已舉行，降低鋼梁測試也成功完成。同時，費米實驗室加速器綜合設施在DUNE高強度運行上取得關鍵進展，主注入器光束強度達1兆瓦，近場探測器原型已觀測到加速器制造的中微子，遠場探測器原型也已準備運行。吉姆·克比被任命為新的LBNF/DUNE-US項目主管，負責管理該項目在美國的各個方面。

質子改進計劃二期項目取得重大進展：質子改進計劃II(PIP-II)是費米實驗室粒子加速器綜合設施的一項重大升級。今年，該項目迎來了新主任，并在低溫模塊運輸和測試方面取得了重要進展。同時，國際合作伙伴也積極參與其中，為建造加速器貢獻技術、儀器和專業知識。

2024 年 12 月的 PIP-II 施工現場。圖片來源：Ryan Postel，費米實驗室

質子改進計劃II(PIP-II)引入先進的超導射頻線性加速器。新主任Pantaleo Raimondi是知名物理學家，經驗豐富。PIP-II團隊在低溫模塊方面取得進展，成功測試了原型模塊的運輸系統。PIP-II是美國首臺獲國際合作伙伴支持的粒子加速器，法國、印度、意大利、波蘭和英國等機構正為其貢獻技術、儀器和專業知識。印度對PIP-II的貢獻已進入建設階段，實物貢獻預計即將抵達費米實驗室。英國和意大利的合作伙伴也在積極推進PIP-II項目。11月，PIP-II完成了早期常規設施子項目，準備進入2025年1月的最后審批階段CD-4。

繼續參與CERN的CMS實驗：費米實驗室一直是美國CMS的主辦機構。今年，費米實驗室的科學家幫助創建了擴大LHC對新粒子搜索范圍的工具，并參與了CMS對W玻色子質量的新測量。此外，美國能源部還批準了為升級CMS實驗提供的2億美元資金的全面投入。

幾十年來，費米實驗室一直是 CERN CMS 實驗的主辦機構。2024 年，費米實驗室杰出科學家帕蒂·麥克布萊德(右)完成了為期兩年的 CMS 發言人任期，費米實驗室資深科學家阿納迪·卡內帕(左)成為 CMS 副發言人。圖片來源：CERN

費米實驗室長期主辦美國CMS項目，參與歐洲核子研究中心CMS實驗。CMS(Compact Muon Solenoid)實驗是歐洲核子研究中心的一項重要研究，它利用世界最大的粒子加速器——大型強子對撞機(LHC)產生的高能粒子碰撞數據，來探索物質的基本組成和宇宙的奧秘。

今年早些時候，費米實驗室從事 CMS 工作的科學家幫助創建了一種工具，可擴大 LHC 對新粒子的搜索范圍。這項搜索既可以揭示超出標準模型的物理原理，也可以為尋找一類被稱為長壽命粒子的理論粒子設定最嚴格的限制。

在9月份，CMS合作項目宣布了一項重要的研究成果，即對自然界中攜帶力的粒子之一——W玻色子的質量進行了新的測量。這次測量的結果與理論預測高度一致，進一步驗證了粒子物理學的標準模型。值得一提的是，這次測量是在繼2022年費米實驗室對撞機探測器實驗進行的測量之后進行的，該測量曾一度與標準模型預測存在偏差。而此次新測量則代表了迄今為止對W玻色子質量最為精細的研究，其研究過程耗時近十年。

美國能源部已經批準了為升級CMS實驗提供的2億美元資金的全面投入。這一升級計劃預計將于2029年實施，屆時CMS合作者需要升級探測器以跟上即將到來的更高強度的粒子束。

在費米實驗室與CMS合作的歷程中，雙方一直保持著密切的合作關系。今年9月，費米實驗室杰出科學家帕蒂·麥克布萊德結束了為期兩年的CMS發言人任期，并將權力移交給了新的管理團隊。其中，費米實驗室高級科學家阿納迪·卡內帕擔任了CMS副發言人一職，其任期將持續至2026年。

短基線中微子探測器探測到第一顆中微子：費米實驗室的國際短基線中微子計劃(SBN)致力于研究中微子的特性和中微子振蕩的性質。今年，SBND探測器首次觀測到中微子相互作用，為未來的研究提供了寶貴數據。

短基線中微子探測器合作項目慶祝了該探測器于 2024 年開始以 100% 電壓運行的那一刻。今年，該探測器記錄了其第一次中微子相互作用。圖片來源：費米實驗室 Dan Svoboda

費米實驗室的國際短基線中微子計劃(SBN)是一個旨在深入研究中微子特性和中微子振蕩性質的重大項目。中微子是宇宙中一種神秘且難以捉摸的基本粒子，它們在粒子物理學和宇宙學中扮演著至關重要的角色。SBN計劃通過三個探測器——短基線近探測器(SBND)、遠探測器ICARUS以及第三臺探測器MicroBooNE，共同對中微子進行更為詳盡的研究。

SBND作為SBN計劃的近探測器，經過近十年的規劃、原型設計和建造，終于在2024年取得了重大進展。今年2月，SBND充滿了液態氬，這種物質能夠用來觀察帶電粒子留下的軌跡，從而幫助科學家們研究中微子的相互作用。幾個月后，SBND探測器首次成功觀測到了中微子相互作用，這標志著該探測器正式進入科學研究的階段。

在未來幾年里，合作雙方將操作該探測器，分析數百萬次中微子相互作用。由于SBND將觀測到比任何其他同類探測器都要多的中微子，因此它所能提供的大數據樣本將使研究人員能夠以前所未有的精度研究中微子相互作用。這一研究成果不僅將深化我們對中微子這種基本粒子的理解，還將為未來使用液態氬探測中微子的實驗(如DUNE)提供寶貴的信息和參考。

移動大型磁鐵：今年，費米實驗室的工作人員成功移動了多塊大型磁鐵，包括為Mu2e實驗建造的超導螺線管磁鐵和為大型強子對撞機高亮度升級貢獻的四極磁體低溫組件。這些磁鐵的移動和組裝為相關實驗的進行提供了重要支持。

2 月，工作人員將第二塊 Mu2e 磁鐵移至 Mu2e 實驗大廳。Mu2e 實驗正在尋找介子可以轉變為電子的證據。圖片來源：Caitlyn Buongiorno，費米實驗室

費米實驗室是全球領先的粒子物理學研究中心，其科研項目涵蓋了從基本粒子特性到宇宙起源的廣泛領域。其中，Mu2e實驗是該實驗室正在進行的一項重要研究，旨在探索介子是否可以轉變為電子，這一發現將可能揭示新物理學的存在。

為了實現這一目標，Mu2e實驗需要一系列精密的設備，其中包括超導螺線管磁鐵。今年2月，費米實驗室的工作人員小心地將一塊重達65,700磅的超導螺線管磁鐵移動至實驗園區。這是為Mu2e實驗專門建造的磁鐵，一旦組裝到探測器中，它將產生一個低能介子束，指向鋁靶，并在探測器區域提供恒定的磁場，使科學家能夠準確確定產生的電子的動量。此前，該團隊已于2023年12月移動了第一塊Mu2e磁鐵。

此外，費米實驗室還積極參與其他重要實驗項目。今年夏天，一種重量超過10萬磅的重新利用的超導磁鐵從伊利諾伊大學芝加哥分校被轉移到費米實驗室，用于未來的實驗。

同時，費米實驗室還為歐洲核子研究中心的大型強子對撞機高亮度升級做出了貢獻。在深秋時節，費米實驗室將其第二臺四極磁體低溫組件運往歐洲核子研究中心。這臺磁體使用了先進的鈮錫(Nb3Sn)磁體技術，能夠強烈聚焦質子束并增加碰撞次數。費米實驗室在這一領域的創新對于實現這些高場磁體至關重要。

加強量子信息科學領域的領導地位：費米實驗室的超導量子材料與系統中心(SQMS)在量子信息科學領域取得了顯著進展。今年，SQMS科學家和工程師在超導傳輸量子比特壽命方面取得了可重復的改進，并成功部署了超導量子比特在QUIET實驗中。

該時間表展示了 SQMS 中心開發 2D transmon 量子比特和 3D 腔體平臺的路線圖。圖片來源：Samantha Koch，費米實驗室

QUIET實驗中心投入運營：6月，名為“量子地下儀器實驗測試臺”的QUIET實驗中心投入運營。該中心位于費米實驗室地下100米處，為量子傳感器和計算研究提供了獨特的實驗環境。

6 月，費米實驗室慶祝了最新實驗室 QUIET 的啟用，該實驗室位于地下一百米處。圖片來源：費米實驗室 Dan Svoboda

位于美國費米實驗室的“量子地下儀器實驗測試臺”(QUIET)是一個專注于量子傳感器和計算研究的新型研究中心，于今年6月正式投入運營。該中心位于費米實驗室地下100米深處的一個區域，該區域之前曾是中微子實驗的研究場所。其配套的地面實驗室LOUD，在QUIET啟用前已有一年多的運行經驗。

QUIET與LOUD共同構建了一個獨特的實驗環境，通過量子傳感器將地下深處不受宇宙射線和其他能量干擾的環境與地球表面環境進行比較，從而進行受控實驗。這一研究環境為科學家提供了一個獨特的平臺，以深入探索量子傳感器的性能和特性。

在10月，QUIET首次成功部署了超導量子比特。這一部署標志著實驗室從基礎設施開發階段過渡到了獨特的科學研究階段。科學家們正利用QUIET來研究這些超導量子比特如何受到宇宙射線和其他高能粒子的影響，旨在構建新型、抗干擾的量子比特，或設計對干擾不敏感的量子比特。

此外，QUIET的研究成果不僅限于量子計算領域。該中心還可為一系列需要對環境具有超靈敏度的應用做出貢獻，如暗物質探測等。這些研究對于推動量子科學的發展，以及解決宇宙學中的重大科學問題具有重要意義。

值得注意的是，QUIET和LOUD的研究得到了量子科學中心的資助，而費米實驗室是該中心的主要創始成員之一。這一資助為QUIET和LOUD的研究提供了必要的資源和支持，推動了量子科學領域的創新和發展。

進一步了解暗能量和宇宙：費米實驗室的研究人員在天體物理學領域也取得了重要進展。他們繼續揭示宇宙中暗能量等謎團，并領導了暗能量調查等國際合作項目。同時，暗能量光譜儀(DESI)也公布了首批結果，為暗能量的研究提供了重要數據。

今年 1 月，暗能量調查合作組織公布了一項前所未有的分析結果，該分析使用同樣的技術進一步探究暗能量和宇宙膨脹的奧秘。這張圖片是 DES 發現的一顆超新星的一個例子。圖片來源：DES 合作組織

費米實驗室研究領域不僅限于粒子物理學，天體物理學同樣是其重要組成部分。2024年，費米實驗室的研究人員在天體物理學領域取得了顯著成果，繼續揭示宇宙中一些最大的謎團，特別是關于暗能量的研究。

暗能量是宇宙中一種神秘的實體，占據了宇宙總質量的約70%，但其本質和性質至今仍然未知。為了深入了解暗能量，費米實驗室的科學家領導了一項名為“暗能量調查”(DES)的國際合作項目。該項目由400多名來自世界各地的天體物理學家、天文學家和宇宙學家共同參與，致力于通過觀測和分析宇宙中的天文現象，揭示暗能量的性質和影響。

在2024年，DES項目取得了兩項重要成果。今年1月，DES超新星調查團隊宣布了他們獲得的宇宙膨脹的最強約束，這一成果對于理解宇宙的演化歷史具有重要意義。一個月后，DES合作團隊又發布了一種新的宇宙距離測量方法，該方法支持了宇宙加速膨脹的標準模型，進一步驗證了我們對宇宙演化的理解。

除了DES項目外，費米實驗室還參與了另一項重要的天體物理學研究——暗能量光譜儀(DESI)項目。DESI項目通過位于基特峰國家天文臺的望遠鏡，收集了大約3000萬個星系的光，并利用這些數據繪制了我們宇宙最廣泛的3D地圖。在第一年的數據中，DESI合作團隊已經進行了世界領先的暗能量測量，并繪制了近600萬個星系在110億年的宇宙歷史中如何聚集的圖像，這與愛因斯坦廣義相對論的預測相符。

費米實驗室在DESI項目中發揮了關鍵作用，為項目提供了多個關鍵元素，包括用于數據采集的在線數據庫、用于控制機器人定位器的軟件、校正筒、六足動物和籠子等。

先進新興技術將造福物理學及其他領域：費米實驗室對研究和技術開發的貢獻不僅限于物理學領域。今年，費米實驗室的科學家與多家公司合作，成功證明了電子束可以破壞PFAS等有害化學物質，并建造了用于醫療設備消毒的X射線加速器原型。此外，費米實驗室還獲得了多項聯邦撥款，用于開發新興技術。

費米實驗室科學家 Slavica Grdanovska(左)和 Charles Thangaraj 站在傳導冷卻低溫恒溫器旁，該恒溫器內裝有用于工業電子束應用的超導加速器技術。圖片來源：Tom Nicol，費米實驗室

費米實驗室研究和技術開發的貢獻不僅局限于物理學領域，還廣泛涉及環境保護、醫療設備消毒、新興技術開發以及量子科學等多個方面。

在環境保護方面，費米實驗室與3M公司合作，成功證明了電子束技術可以有效破壞PFAS這類難以分解并在環境和人體中積累的有害化學物質。此外，費米實驗室還在建造一個原型電子束加速器，旨在制造用于醫療設備消毒的X射線。這項技術有望為醫療設備消毒行業帶來革命性的變化，解決當前消毒技術中可能存在的安全問題。

在技術開發方面，費米實驗室的研究人員獲得了美國能源部“加速創新”計劃的資助，用于開發超導納米線單光子探測器、3D集成傳感解決方案和緊湊型超導射頻電子束加速器技術等三種新興技術。同時，費米實驗室還與加州RadiaBeam Technologies合作，利用其在低溫模塊設計和傳導冷卻方面的專業知識，幫助設計和組裝傳導冷卻低溫模塊，推動超導工業加速器市場的發展。

在量子科學領域，費米實驗室的科學家展示了使用專門量子技術刺激光子產生、提高靈敏度和降低噪音的能力，這項研究對于探測暗物質發出的微弱信號具有重要意義。此外，費米實驗室工程師還宣布推出量子儀器控制套件的新配套產品QICK盒，這是量子科學中心支持的開源控制和讀出系統的一部分。QICK盒能夠優化讀取存儲在量子比特中的信息的能力，從而提高量子系統的性能。該團隊還推出了QICK 2.0版，包含更新的軟件和固件。

改善校園環境和交通：今年，費米實驗室的校園環境也得到了顯著改善。新的綜合工程研究中心以其環保可持續的設計獲得了多項獎項。同時，費米實驗室還重新向公眾開放，并推出了新的接待和訪問中心建設項目，以改善校園交通和方便公眾參觀。

2024 年，工作人員開始建造費米實驗室的新接待中心，預計于 2025 年秋季開放。新的費米實驗室接待和訪問中心位于松樹街費米實驗室主入口附近，將兼具信息和行政功能，以便更順暢地處理和訪問該站點。圖片來源：Ryan Postel，費米實驗室

‌費米實驗室(Fermilab)是美國最重要的物理學研究中心之一，隸屬于美國能源部，并由芝加哥大學和大學研究協會負責運作‌。它始建于1967年，位于美國伊利諾斯州巴達維亞附近的草原上，以1938年諾貝爾物理學獎得主恩利克·費米的名字命名。費米實驗室擁有世界上運行能量第二高的質子-反質子對撞機Tevatron，并致力于高能物理學和粒子物理學的研究，曾發現頂夸克等基本粒子，為探索物質、空間和時間的奧秘做出了重要貢獻‌。