美國粒子物理學的未來所依賴的巨大新實驗遠遠超出預算,而且比計劃晚了很多年,而該實驗的主辦方費米國家加速器實驗室 (Fermilab) 的領導層更替正在加劇混亂。長基線中微子設施/深地下中微子實驗 (LBNF/DUNE) 是一項探索自然界最難以捉摸的粒子的巨大努力,現在預計耗資30 億美元,比初步估計高出 60%,而且建設已經推遲了 4 年,預計在 2029 年發布第一批數據。不斷上漲的成本迫使能源部重新評估該項目的設計,盡管能源部官員表示他們沒有縮小規模的計劃。
“能源部不打算實施任何會犧牲實驗科學范圍的縮小范圍,”能源部高能物理副主任吉姆西格里斯特在給科學的電子郵件中寫道。一些物理學家希望能源部能夠獲得資金來彌補一項 3.5 萬億美元的重振經濟支出計劃的超支,該計劃目前正在國會進行辯論。該支出計劃的眾議院版本包含 13 億美元用于 LBNF/DUNE。但通道遠非確定。
LBNF/DUNE 將從伊利諾伊州費米實驗室發射幾乎無法探測到的稱為中微子的粒子,發射到 1300 公里外南達科他州一個廢棄金礦的地下粒子探測器。中微子分為三種類型——電子、介子和 tau——它們在以近光速快速移動時會相互轉化。LBNF/DUNE 旨在對這種中微子振蕩理論進行最終測試,并尋找中微子和反中微子振蕩方式的差異,這可能有助于解釋宇宙如何產生比反物質更多的物質。
預算超支是 20 年來在 Homestake 礦深處建立一個巨大的中微子實驗的最新嘗試,那里 1.5 公里的巖石將阻止宇宙射線的推斷。2001 年,物理學家提議美國國家科學基金會在 Homestake 建造一個巨大的地下實驗室,但 10 年后 NSF 的管理委員會拒絕了。美國能源部很快確認它想要中微子實驗,但只是當時估計花費的 19 億美元的一半。物理學家通過邀請國際貢獻來保持該項目的規模,并且在 2013 年歐洲粒子物理實驗室 CERN 表示將參與其中。
2015 年 11 月 5 日,美國能源部批準了兩部分實驗的概念設計,初步成本范圍為 12.6 億美元至 18.6 億美元。LBNF 包括建筑物、費米實驗室的新中微子束、南達科他州的實驗大廳以及用于容納中微子探測器的巨大冷藏浴缸。DUNE 僅由探測器組成,其中一個位于南達科他州,裝有 70,000 噸低溫液態氬,還有一個位于費米實驗室的較小的探測器,用于監測出射光束。
建造探測器至少需要 1 年時間才能獲得批準,但這些設施的建設于 2019 年在伊利諾伊州和南達科他州分別于 2019 年和 2017 年開始。今年 5 月,工人們測試了可將 800,000 噸巖石運出礦井的輸送系統。Siegrist 說,有幾個因素導致成本急劇上升:礦山老化的基礎設施需要升級,在 Homestake 安裝精密探測器將比預期更困難,費米實驗室的較小探測器需要比原先設想的更靈敏。多位消息人士稱,挖掘和建造建筑物約占成本的 20 億美元。
美國能源部從 10 月 1 日開始的 2022 財年預算請求還指出,國際捐款低于預期。盡管如此,國際合作伙伴仍在為 Homestake 探測器最終四個模塊中的前兩個模塊支付一半的費用,而歐洲核子研究中心將為這兩個模塊建造冰箱,曼徹斯特大學的中微子物理學家兼聯合發言人 Stefan Söldner-Rembold 指出。 1300 人的 DUNE 團隊。
初步成本超支如此之大,以至于能源部的規定要求官員重新考慮項目的概念設計。但他們似乎不太情愿。Siegrist 說,一旦新的成本估算最終確定,“能源部將重申項目范圍并批準新的成本和進度范圍。” 也就是說,DOE 設想保持設計和改變成本,而不是相反。
一年之內,這種靈活性將消失,因為項目負責人必須提供最終的詳細成本計算和施工時間表。Söldner-Rembold 說,鑒于已經完成的工作和解決的問題,研究人員相信他們可以制定可靠的基線。“不同之處在于,現在一切都擺在桌面上,”他說。
DOE 的策略意味著 LBNF/DUNE 將需要更多資金,物理學家希望這將來自支出計劃。弗吉尼亞理工學院和州立大學的理論家帕特里克·胡伯 (Patrick Huber) 說:“擁有對美國作為一個知識強國的長期競爭力很重要的真正優秀的東西,卻找不到錢似乎真的很悲慘。”
眾議院科學委員會成員、前費米實驗室物理學家比爾·福斯特 (D-IL) 眾議員表示,他相信支出計劃將會通過,并將包括對 LBNF/DUNE 的資助,因為美國粒子物理學家將該項目作為 2014 年的優先事項。長期計劃。“當一個項目得到科學界的全力支持時,如果成本有所增加,國會將其切斷是錯誤的,”福斯特說。如果該計劃沒有通過,DOE 可能不得不削減其他高能物理項目以支持更昂貴的 LBNF/DUNE。
費米實驗室可能不得不在沒有現任董事奈杰爾·洛克耶的情況下繼續推進,奈杰爾·洛克耶于 9 月 10 日宣布,一旦找到替代者,他將下臺。洛克耶拒絕討論他的理由,但能源部似乎想改變實驗室的管理層。在給 LBNF/DUNE 國際合作者的一封信中,美國能源部科學辦公室代理主任 Siegrist 和 Stephen Binkley 表示,該辦公室“將這一變化視為重振費米實驗室所有努力的機會。”
美國能源部官員和研究人員認為洛克耶指導費米實驗室度過了艱難時期。他于 2013 年抵達,也就是其旗艦原子粉碎機 Tevatron 關閉兩年后,將 2012 年著名的希格斯玻色子的發現讓給了歐洲核子研究中心的大型強子對撞機。幫助招募洛克耶的芝加哥大學宇宙學家邁克爾·特納 (Michael Turner) 說,洛克耶召集了費米實驗室和美國物理學家圍繞中微子計劃。“他讓我們在中微子領域處于領先地位,并完成了能源部有史以來最大的項目。”