在南達(dá)科他州一座前金礦地下 1 公里多的地方，一名工人幫助挖掘隧道和腔室，以安裝一個(gè)巨大的中微子探測(cè)器。桑福德地下研究設(shè)施/CC BY-NC-ND 4.0分享：

推特鏈接在Facebook紅迪網(wǎng)微信電子郵件官員們本月告訴物理學(xué)家，為應(yīng)對(duì)成本超支問題，能源部 (DOE) 決定分兩個(gè)階段建設(shè)美國的下一個(gè)大粒子物理實(shí)驗(yàn)。這一決定意味著這個(gè)大型項(xiàng)目——實(shí)際上是兩個(gè)相互交織的項(xiàng)目，稱為長基線中微子設(shè)施 (LBNF) 和深地下中微子實(shí)驗(yàn) (DUNE)——要到 2030 年代中期而不是本十年后期才能按其原始規(guī)格完成，并且其已經(jīng)膨脹的成本將進(jìn)一步增加。

但研究人員表示，調(diào)整后的計(jì)劃應(yīng)該最早在 2029 年運(yùn)行精簡版的 LBNF/DUNE。美國能源部負(fù)責(zé)高能物理的副主任吉姆·西格里斯特(Jim Siegrist)通過視頻制定了計(jì)劃，他說，有了這個(gè)時(shí)間表，該實(shí)驗(yàn)仍有機(jī)會(huì)在關(guān)鍵的中微子測(cè)量上擊敗日本的競爭對(duì)手 Hyper-Kamiokande (Hyper-K) 3 月 16 日，在名為 Snowmass 進(jìn)程的社區(qū)規(guī)劃活動(dòng)中。“DOE 認(rèn)為 LBNF/DUNE 仍有機(jī)會(huì)獲得第一，”Siegrist 在一封電子郵件中寫道。

費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室 (Fermilab) 的中微子物理學(xué)家、1400 名 DUNE 合作項(xiàng)目的聯(lián)合發(fā)言人 Regina Rameika 表示，參與該項(xiàng)目的物理學(xué)家提出了粘性的變化。“我們都在同一個(gè)頁面上，關(guān)于什么是第一位的，什么是第二位的，”她說。但西班牙能源、環(huán)境和技術(shù)研究中心的 DUNE 物理學(xué)家 Inés Gil-Botella 表示，日程安排的延長帶來了挑戰(zhàn)。“我們需要更加努力，盡可能減少第一階段和第二階段之間的任何延誤，”她說。修訂后的計(jì)劃清楚地表明，目前 30 億美元的成本估算——幾乎是原來的兩倍——現(xiàn)在僅適用于第一階段。

幾乎無質(zhì)量且很少與其他物質(zhì)相互作用的中微子分為三種類型——電子、μ子和 tau——取決于它們是如何產(chǎn)生的。當(dāng)粒子以近光速飛馳時(shí)，一種類型可以變形為另一種類型。為了研究這些中微子振蕩，物理學(xué)家可以將粒子加速器產(chǎn)生的一束μ子中微子發(fā)射到數(shù)百公里外的巨大探測(cè)器，該探測(cè)器計(jì)算到達(dá)的μ子中微子以及沿途出現(xiàn)的電子中微子。

LBNF/DUNE 會(huì)從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室向 1300 公里外位于南達(dá)科他州鉛市廢棄的 Homestake 金礦的探測(cè)器發(fā)射一束強(qiáng)烈的 μ 子中微子束。充滿寒冷液態(tài)氬的新型 DUNE 探測(cè)器將以前所未有的細(xì)節(jié)捕捉中微子和原子核的碰撞。除了將物理學(xué)家的中微子振蕩理論進(jìn)行酸測(cè)試外，它還將尋找電荷宇稱 (CP) 違例，即中微子和反中微子振蕩之間的不對(duì)稱性，這有助于解釋宇宙如何產(chǎn)生比反物質(zhì)更多的物質(zhì)。

在爭吵了十年之后，美國物理學(xué)家在 2013 年的斯諾馬斯大會(huì)上圍繞該實(shí)驗(yàn)團(tuán)結(jié)起來。一年后，美國能源部的粒子物理項(xiàng)目優(yōu)先級(jí)小組 (P5) 將其命名為新的國內(nèi)旗艦項(xiàng)目。2015 年，美國能源部接受了 P5 愿景：一項(xiàng)國際資助的實(shí)驗(yàn)，將有一個(gè)目標(biāo)質(zhì)量至少為 40,000 噸的液氬探測(cè)器、由數(shù)兆瓦質(zhì)子束驅(qū)動(dòng)的中微子束，以及費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)更小的探測(cè)器來監(jiān)測(cè)傳出的光束。美國能源部估計(jì)，這將花費(fèi)不到 19 億美元，并在 2028 年完成。但礦山的整修和開挖導(dǎo)致成本上升并延誤了進(jìn)度。

現(xiàn)在，Siegrist 表示，該項(xiàng)目將開始規(guī)模較小，在南達(dá)科他州的一個(gè)探測(cè)器僅包含四個(gè)計(jì)劃中的氬模塊中的兩個(gè)，目標(biāo)總質(zhì)量不超過 24,000 噸。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子束功率將限制在 1.2 兆瓦，實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)器會(huì)更簡單。完成第一階段后，能源部可能會(huì)在升級(jí)過程中追求更大的探測(cè)器和更好的光束，可能耗資數(shù)億美元。

僅通過第一階段，LBNF/DUNE 應(yīng)該能夠測(cè)量 CP 違規(guī)。但日本 Hyper-K 的物理學(xué)家表示，他們將在 2028 年開始采集數(shù)據(jù)，比 LBNF/DUNE 早一年。Hyper-K 將由一個(gè) 70 米高、裝滿 260,000 噸超純水的地下圓柱形水箱組成。大約 40,000 個(gè)光電管將捕捉到東海 295 公里的日本質(zhì)子加速器研究中心發(fā)射的中微子與水相互作用時(shí)產(chǎn)生的獨(dú)特閃光。

謝菲爾德大學(xué)的 Hyper-K 物理學(xué)家 Matthew Malek 說，日本的工人已經(jīng)開始挖掘。他說，鑒于日本對(duì)日程安排的態(tài)度相對(duì)保守，這個(gè)日期很可能會(huì)成立。“在這個(gè)階段，DUNE 真的不可能在 Hyper-K 之前啟動(dòng)，”他說。但明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校的沙丘物理學(xué)家馬文·馬沙克不會(huì)提前讓步。“在過去的 50 多年里，我學(xué)到的一件事就是不要高估你的競爭對(duì)手，”他說。

Hyper-K 和 DUNE 還將尋找來自超新星爆炸的中微子和質(zhì)子可以衰變的跡象。Gil-Botella 說，DUNE 的最終目標(biāo)是探測(cè)物理學(xué)家的三種中微子類型模型，以足夠精確地判斷它是否在一定程度上分解，這可能是新粒子和新力的證據(jù)。她說，出于技術(shù)原因，Hyper-K 將難以做到這一點(diǎn)。

美國能源部已要求物理學(xué)家權(quán)衡新斯諾馬斯工藝第二階段的科學(xué)案例和隨后的 P5 優(yōu)先級(jí)，這可能讓懷疑者有機(jī)會(huì)質(zhì)疑整個(gè)項(xiàng)目是否值得更高的成本。曾參與斯諾馬斯組織的匹茲堡大學(xué)理論家陶涵預(yù)測(cè)，美國物理學(xué)家將重申他們對(duì)此的支持。“我們將得到社區(qū)的支持，以實(shí)現(xiàn)我們的最終目標(biāo)，”他說。

Malek 想知道新計(jì)劃是否是 DOE 所說的第一階段就是它將??建立的全部內(nèi)容的方式。“當(dāng)你在多個(gè)階段構(gòu)建某個(gè)東西時(shí)，超越第一階段的可能性更小，”他說。布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的 DUNE 物理學(xué)家 Mary Bishai 對(duì)此有不同的解讀：“Jim Siegrist 說‘去斯諾馬斯，然后帶著第三和第四個(gè)探測(cè)器模塊的計(jì)劃回來。’” 他沒有說，‘我們已經(jīng)完成了。’”

這個(gè)問題是在美國項(xiàng)目不斷變化的時(shí)候出現(xiàn)的。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是美國唯一的專門粒子物理實(shí)驗(yàn)室，在奈杰爾·洛克耶于 2021 年 9 月宣布他將下臺(tái)后，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正在物色新主任——美國能源部在其年度績效評(píng)估中未能通過該實(shí)驗(yàn)室的三個(gè)月前，部分原因是 LBNF 存在問題/沙丘。3 月 31 日，現(xiàn)年 69 歲的 Siegrist 將在領(lǐng)導(dǎo) DOE 高能物理項(xiàng)目 10 年后退休。隨著美國粒子物理學(xué)進(jìn)入波濤洶涌的水域，目前尚不清楚誰將掌舵。