歐洲空間局公布了“歐幾里德”空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的首批彩色圖像，有助于揭示暗物質(zhì)和暗能量等宇宙奧秘。圖為馬頭星云的彩色圖像。新華社發(fā)（歐洲航天局供圖）
科技日?qǐng)?bào)記者?劉霞
12月初，美國粒子物理學(xué)項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)小組（P5）向美國能源部和國家科學(xué)基金委員會(huì)提交了一份報(bào)告，列出了美國高能物理未來發(fā)展5大優(yōu)先事項(xiàng)。該委員會(huì)約每10年召開一次會(huì)議，負(fù)責(zé)向上述兩個(gè)美國高能物理研究領(lǐng)域的主要資助機(jī)構(gòu)提供建議。
英國《自然》雜志網(wǎng)站報(bào)道指出，這些優(yōu)先事項(xiàng)中，位居榜首的是宇宙微波背景-第四階段（CMB-S4）項(xiàng)目。該項(xiàng)目設(shè)想在智利阿塔卡馬沙漠和南極之間建立一個(gè)由12個(gè)無線望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，以捕捉宇宙大爆炸后瞬間發(fā)生的物理過程。該報(bào)告還支持揭示暗物質(zhì)究竟是“何方神圣”，探究中微子的起源，并進(jìn)一步了解希格斯玻色子。報(bào)告也建議美國啟動(dòng)相關(guān)研究，驗(yàn)證繆子對(duì)撞機(jī)的可行性。
捕捉大爆炸后的“余韻”
CMB-S4的目標(biāo)是研究宇宙大爆炸后約38萬年產(chǎn)生的輻射。當(dāng)時(shí)宇宙處于混沌狀態(tài)，各種從等離子體“變身”為氣體的粒子在其中翻滾。
CMB-S4上的微波天線將測(cè)量輻射到達(dá)地球時(shí)其電場(chǎng)擺動(dòng)的角度，由此產(chǎn)生的偏振圖像有望揭示引力波的特征模式。自宇宙大爆炸以來，這些引力波一直在動(dòng)搖時(shí)空結(jié)構(gòu)。雖然宇宙微波背景是目前可探測(cè)到的最古老的電磁輻射，但其偏振有助科學(xué)家了解更亙古的宇宙往事。
包括歐洲空間局的普朗克空間望遠(yuǎn)鏡和位于南極的“第二代宇宙泛星系偏振背景成像望遠(yuǎn)鏡”（BICEP2）在內(nèi)，多個(gè)大型項(xiàng)目試圖在宇宙微波背景的偏振圖像中找到原初引力波的“蛛絲馬跡”。天文學(xué)家也在阿塔卡馬沙漠建造一系列名為西蒙斯天文臺(tái)的碟形望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)2024年中完工。研究人員設(shè)想CMB-S4是放大版的西蒙斯天文臺(tái)，將于本世紀(jì)30年代中期“上崗”。
更大規(guī)模“通緝”中微子
國際深地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）目前已在緊鑼密鼓的建設(shè)當(dāng)中，預(yù)計(jì)將于本世紀(jì)30年代初竣工。根據(jù)計(jì)劃，美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)加速器產(chǎn)生的中微子，會(huì)穿過地殼，被1300公里外的南達(dá)科他州利德的桑福德地下研究設(shè)施捕獲。
2014年，P5將DUNE項(xiàng)目列為首要融資任務(wù)。但此后其命運(yùn)多舛，成本嚴(yán)重超支，促使美國能源部將位于達(dá)科他州的探測(cè)器的尺寸幾乎減半。P5的新報(bào)告提議，讓該探測(cè)器回到最初規(guī)劃的尺寸，并升級(jí)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施，將其發(fā)射中微子束的強(qiáng)度提高10倍。
P5的報(bào)告還建議擴(kuò)大“冰立方中微子天文臺(tái)（IceCube）”的規(guī)模。IceCube迄今已獲得許多成果：發(fā)現(xiàn)第一個(gè)超高能中微子、繪制出第一張銀河系中微子圖等。P5在新報(bào)告中建議建造第二代IceCube，將監(jiān)測(cè)的冰體積增加10倍，以捕捉更多中微子。該升級(jí)版探測(cè)器將耗資3.5億美元，有望推進(jìn)多項(xiàng)中微子研究。
希格斯玻色子工廠有望發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)
物理學(xué)家提出了幾種加速器設(shè)計(jì)方案，希望借此產(chǎn)生大量希格斯玻色子，并精確測(cè)量與其他粒子的相互作用。他們認(rèn)為，這些研究獲得的結(jié)果可能顛覆標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至催生全新理論。
目前擬議的希格斯工廠之一是國際線性對(duì)撞機(jī)，它可能由日本領(lǐng)導(dǎo)建造。歐洲核子研究中心則希望在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)旁建造一個(gè)約90公里長(zhǎng)的圓形對(duì)撞機(jī)。P5稱，不管哪個(gè)項(xiàng)目建成，美國都應(yīng)該像對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)那樣作出貢獻(xiàn)。
加大暗物質(zhì)搜尋力度
許多實(shí)驗(yàn)試圖探測(cè)席卷太陽系的暗物質(zhì)風(fēng)。這些實(shí)驗(yàn)的想法是：假設(shè)的弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可能偶爾與探測(cè)器中的原子碰撞，釋放出閃光。但這些實(shí)驗(yàn)迄今都折戟沉沙。P5建議美國資助一個(gè)更大規(guī)模的此類探測(cè)器，以獲得最終結(jié)論。
目前最有潛力的WIMP探測(cè)方法是使用液態(tài)氙，科學(xué)家已使用接近10噸氙建造了多款探測(cè)器并取得一些研究成果。但P5指出，全面探索WIMP可能需要50噸氙。
論證繆子對(duì)撞機(jī)可行性
P5提議探索建造能粉碎繆子的對(duì)撞機(jī)的可行性。目前尚不清楚能否建造出此類機(jī)器，P5建議擴(kuò)大研發(fā)規(guī)模，建造出驗(yàn)證對(duì)撞機(jī)。
P5委員會(huì)主席、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家村山齊（音譯）在新報(bào)告的新聞發(fā)布會(huì)上指出，他們目前并不知道繆子對(duì)撞機(jī)是否可行，但努力實(shí)現(xiàn)它會(huì)帶來高額回報(bào)。此外，報(bào)告還建議加強(qiáng)研究使用等離子體加速電子的相關(guān)技術(shù)，以及對(duì)撞機(jī)用更先進(jìn)的磁體。
