Американский Комитет P5 (Particle Physics Project Prioritization Panel) определил приоритетные направления в физике элементарных частиц до конца 2030-х. Опубликованный 7 декабря 2023 года (предыдущие были в 2008 и 2014 годах) черновик подписали 32 авторитетных специалиста в этой области физики, представляющих как американские, так и иностранные научные центры.
1. Задача «дешифровки квантовой реальности», которая распадается на «прояснение загадок нейтрино» и «выявление секретов бозона Хиггса».
2. «Изучение новых парадигм в физике», что означает «поиски прямых доказательств существования новых частиц» и «отслеживание квантовых отпечатков (quantum imprints) новых явлений».
3. «Освещение (illumination) скрытой Вселенной», что включает «определение природы темной материи» и «понимание движущих факторов космической эволюции».
В рамках направления они настоятельно рекомендуют продолжить и расширить участие США в международной программе значительного увеличения светимости Большого адронного коллайдера, которая должна сильно расширить его возможности по части производства уже известных массивных частиц и, возможно, открытия новых. Эта радикальная модернизация БАК создаст предпосылки для открытия и исследования взаимодействий между темной материей и бозоном Хиггса, а также для детектирования гипотетических суперсимметричных партнеров «обычных» частиц которые описываются Стандартной моделью.
Отмечается важность завершения работ по подготовке Глубинного нейтринного эксперимента (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE), который должен начаться около 2034 года (
https://www.dunescience.org/).
Измерения будут проводиться с помощью двух высокочувствительных детекторов нейтрино, расположенных на расстоянии 1300 километров от друг друга. Один из них предстоит смонтировать вблизи 215-метрового линейного протонного ускорителя на 800 МэВ (см. Proton Improvement Plan-II). Этот ускоритель, который будет действовать в качестве источника нейтрино, сейчас строится в Национальной лаборатории имени Ферми (Фермилабе) в Батавии в штате Иллинойс. Второй детектор гораздо большего размера будет размещен более чем на километровой глубине в многофункциональном Сэнфордском подземном исследовательском центре (Sanford Underground Research Facility), который с 2008 года работает в бывшем золотом руднике Хоумстейк в штате Южная Дакота. Этот эксперимент может в полную силу начаться в первые годы следующего десятилетия и обойдется как минимум в три миллиарда долларов. Если он не обманет ожиданий своих инициаторов, то создаст принципиально новые возможности для исследования осцилляций нейтрино и получения новых данных о массе этих частиц, которая пока что в точности не известна.
Рекомендуется обеспечить существенное участие США в международных проектах строительства ускорителей, способных производить большое количество бозонов Хиггса (фабриках хиггсов). Это Будущий кольцевой электронно-позитронный коллайдер и Международный линейный коллайдер. Обе машины предназначены для разгона встречных пучков электронов и позитронов: в первом случае — в круговом туннеле, во втором — в двух параллельных прямолинейных туннелях длиной не менее двадцати километров. Предполагается, что на первой стадии ILC обеспечит набор энергии порядка 250 ГэВ, но после модернизации этот порог будет повышен до 500 ГэВ, а со временем — и до 1 ТэВ. Это означает, что максимальная энергия разгоняемых электронов и позитронов превысит аналогичный показатель для крупнейшего в мире Стэнфордского линейного ускорителя лептонов сначала в пять раз, затем в десять, а со временем, возможно, даже двадцатикратно. Поскольку масса бозона Хиггса равна приблизительно 125 ГэВ, уже первая очередь ILC сможет работать как фабрика хиггсов весьма высокой производительности.
Эксперты панели Р5 акцентируют важность экспериментов по детектированию частиц темной материи. Космологи и астрофизики предлагают обширный набор теоретически приемлемых кандидатов на эту роль, включая, в частности, сверхлегкие аксионы и слабо реагирующие массивные частицы (вимпы). Члены комитета в принципе считают необходимым разрабатывать и строить для поиска вимпов новое (третье) поколение детекторов, однако признают, что полномасштабная реализация этой цели может оказаться слишком затратной. В качестве минимально приемлемой программы они рекомендуют запуск (скорее всего не ранее 2032 года) на территории США одного детектора третьего поколения стоимостью от 200 до 500 миллионов долларов, предпочтительно с широким международным участием. Они также считают крайне желательным модернизацию антарктической нейтринной обсерватории IceCube, которая десятикратно повысит ее чувствительность. Оценочная стоимость этого проекта, который предполагается осуществить к 2034 году, приближается к 500 миллионам долларов.
Авторы доклада возлагают большие надежды на осуществление эксперимента CMB-S4, предназначенного для долговременного прецезионного картирования микроволнового реликтового излучения. Эта задача будет решаться с помощью двенадцати телескопов с апертурой вплоть до шести метров, установленных на Южном полюсе и в чилийской пустыне Атакама. На них будет установлено 550 000 сверхпроводящих детекторов, которые смогут работать в течение 7–10 лет, начиная приблизительно с 2030 года. Успешное осуществление этого проекта, который, согласно сегодняшним оценкам, обойдется в 800–900 миллионов долларов, даст огромный массив космологической и астрофизической информации. Она будет дополнена данными с новых крупных оптических обсерваторий, включая Обсерваторию имени Веры Рубин с 840-сантиметровым телескопом, который, как ожидается, увидит первый свет в начале 2025 года. Члены комитета также многого ждут от работы уникального спектрографа DESI, установленного на четырехметровом телескопе имени Николаса Майалла Национальной обсерватории Китт-Пик в штате Аризона. Он собирает информацию об оптических спектрах 35 миллионов галактик и почти двух с половиной миллионов квазаров, возникших в течение первых трех миллиардов лет после Большого взрыва. Эти данные позволят уточнить темпы расширения космического пространства на разных этапах истории Вселенной и тем самым будут способствовать лучшему пониманию феномена темной энергии.
