我們宇宙的基本構建塊是什么，它們如何相互作用?在最小的層次上會發生什么，其中隱藏著什么潛力?我們的宇宙是如何演化的，未來會怎樣?粒子物理學研究尋求這種知識。
由美國能源部支持的科學家在全國各地的大學和國家實驗室解決這些基本謎團。他們建立了最先進的實驗，產生了令人難以置信的發現和成就。在此過程中，他們創造了新技術、應用程序和訓練有素的勞動力。
過去，這些技術已在消費電子產品和醫藥等多種領域得到應用。當 JJ Thomson 于 1897 年發現電子時，很少有人能想象有一天生活可能主要圍繞圍繞它建造的設備展開。當加速器磁鐵被設計用來為新粒子的發現提供動力時，很少有人預見到它們會在 MRI 機器和癌癥治療中扮演新的拯救生命的角色。雖然今天的基礎研究深入研究了我們宇宙的基本原理，但它也可能揭示我們將在明天的突破中建立起來的知識。
也許過去十年最著名的物理學發現是希格斯玻色子的發現。它是一種長期以來備受追捧的粒子，有助于產生宇宙中的大部分質量。美國能源部實驗室和大學的數百名科學家是 2012 年共同發現該粒子的國際團隊的成員。此后，科學家們對希格斯玻色子如何生存、衰變以及與其他粒子的相互作用有了很多了解。美國研究人員還在構建加速器技術方面發揮了重要作用，該技術可以產生強烈的高能粒子束。他們現在正在升級大型強子對撞機的粒子加速器和探測器，在此過程中建造創新設備并創造世界紀錄。
在美國，粒子物理學家也建立并擴展了先驗知識。今年早些時候，費米實驗室的 Muon g-2 實驗進一步證明了 20 年前在布魯克海文實驗室發現的異常現象。研究人員發現，μ 子(電子的較重表親)的行為方式是科學家最佳理論無法預測的——可能是因為新的亞原子粒子或作用力。
另一類稱為中微子的粒子也顯示出暗示新物理學的奇怪特性。研究人員想弄清楚這些粒子是否是我們宇宙演化的關鍵因素，特別是如果它們是物質存在的原因。最近在歐洲核子研究中心對一個名為ProtoDUNE的房屋大小的中微子探測器進行的操作成功地展示了幫助回答這個問題所需的新技術。我們將與我們的國際合作伙伴一起，用它在美國這里建造深地下中微子實驗。這是一個由世界上最強烈的高能中微子束實現的項目。
研究人員還收集了更多關于暗物質性質的線索，暗物質構成了宇宙中的大部分質量。暗能量調查使用我們國家實驗室開發的巨型超靈敏相機，繪制了宇宙中最大的暗物質圖。一系列當前和即將進行的實驗——包括 ADMX、DESI、維拉魯賓天文臺、LZ 和 SuperCDMS——準備通過直接探測和物質的進一步映射來揭示暗物質的秘密。這些天體物質分布圖也有助于我們了解導致宇宙加速膨脹的神秘暗能量的特性。
我們的國家實驗室還利用他們在量子世界的專業知識，在量子信息科學方面取得重要進展。國家量子計劃的推出強調了 QIS 對國家網絡安全和經濟競爭力的重要性。五個新的國家量子中心的科學家、工程師和技術人員正在努力建造從量子傳感器到計算機的一切。他們在培訓量子勞動力的同時實施粒子加速器技術和新的計算算法。邁向可行的量子互聯網的關鍵一步，美國能源部資助的研究人員甚至首次展示了持續的高保真量子隱形傳態。
雖然在粒子物理學中用于將粒子粉碎在一起，加速器技術還應用于醫學、能源、國家安全和材料科學。僅在醫學方面，加速器就用于成像設備、癌癥放射治療和 X 射線束以開發更有效的藥物。對加速器研究的投資改善了我們現有的設施，并追求可能產生新技術的進步。例如，激光驅動的等離子體尾流場技術可能能使加速器的長度比當今的機器小 2,000 倍。我們的加速器管理計劃有助于使這項技術更廣泛地應用于科學和工業領域。
基礎物理學研究獲得的新知識的應用范圍很廣，改變了社會，但很難預測。它們與回答我們最基本的問題之一密切相關：這個宇宙是如何運作的?
美國能源部科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，致力于解決我們這個時代一些最緊迫的挑戰。如需更多信息，請訪問science.energy.gov。
