Группа по определению приоритетов проектов по физике элементарных частиц (P5) — это научная консультативная группа, которой поручено рекомендовать планы инвестиций США в исследования физики элементарных частиц на ближайшие десять лет на основе различных сценариев финансирования. P5 — это временный подкомитет Консультативной группы по физике высоких энергий (HEPAP) , которая обслуживает Управление науки Министерства энергетики и Национальный научный фонд . В 2014 году группу возглавил Стивен Ритц из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. [1] В 2023 году группу возглавил Хитоши Мураяма из Калифорнийского университета в Беркли. [2]
В 2013 году HEPAP было предложено созвать группу (P5) для оценки приоритетов исследований в контексте ожидаемых разработок в этой области в глобальном масштабе в течение следующих 20 лет. Рекомендации должны были быть сделаны на основе трех сценариев финансирования физики высоких энергий: [3]
В мае 2014 года был опубликован первый отчет P5 с 2008 года. В отчете 2014 года были определены пять «научных драйверов» — целей, призванных информировать о приоритетах финансирования — взятых из годового обсуждения в сообществе физики элементарных частиц. Этими научными драйверами являются: [4]
В целях достижения пяти научных драйверов в отчете 2014 года были определены три проекта «высокоприоритетной категории крупных», заслуживающих значительных инвестиций в период 2014–2023 финансовых годов, независимо от более широкой ситуации с финансированием: Большой адронный коллайдер высокой светимости (предлагаемая модернизация Большого адронного коллайдера, расположенного в ЦЕРНе в Европе); Международный линейный коллайдер (предлагаемый электрон - позитронный коллайдер, вероятно, размещенный в Японии); и Установка для нейтрино с длинной базой (расширение предлагаемого эксперимента по нейтрино с длинной базой (который был переименован в Deep Underground Neutrino Experiment ), который будет построен в Фермилабе в Иллинойсе и на шахте Хоумстейк в Южной Дакоте). [5]
Помимо этих крупных проектов, в отчете определены многочисленные более мелкие проекты с потенциалом окупаемости инвестиций в краткосрочной перспективе, включая эксперимент Mu2e , эксперименты второго и третьего поколения по изучению темной материи, компоненты физики элементарных частиц Большого синоптического обзорного телескопа (LSST) , эксперименты по изучению космического микроволнового фона и ряд небольших экспериментов по исследованию нейтрино.
В отчете было сделано несколько рекомендаций по существенному изменению приоритетов, а именно: [4]
Группа подчеркнула, что наиболее консервативный из рассмотренных сценариев финансирования поставит под угрозу способность США принять крупный проект по физике элементарных частиц, сохраняя при этом необходимые вспомогательные элементы. [4]
Целью проекта P5 2014 года было предоставление Конгрессу научно обоснованной дорожной карты для финансирования проектов. Пять лет спустя, в 2019 году, Управление науки Министерства энергетики заявило: [6] «Ассигнования Конгресса отражают сильную поддержку P5. Язык отчетов об ассигнованиях последовательно признавал усилия сообщества по созданию и реализации стратегии отчета P5» и «P5 был чрезвычайно успешным». С 2016 по 2020 год бюджет физики высоких энергий (HEP) вырос с менее чем 800 миллионов долларов до более чем 1 миллиарда долларов. [7]
Однако члены сообщества HEP были обеспокоены, поскольку возросшее финансирование в основном направлялось на проекты, в то время как финансирование основных исследовательских и технологических программ, которые также поддерживались P5, сократилось с 361 млн долларов до 316 млн долларов. [7] В 2020 году оценка прогресса программы, определенной P5, проведенная Консультативной группой по физике высоких энергий (HEPAP), пришла к следующему выводу: [8] «Хотя инвестиции за последние 5 лет были сосредоточены на строительстве проектов, будет принципиально важно сбалансировать компоненты бюджета HEP для продолжения успешного выполнения плана P5. Эксплуатация недавно построенных экспериментов требует полной поддержки для достижения своих научных целей. Исследовательская программа HEP также нуждается в сильной поддержке для полного выполнения плана на всех этапах строительства, эксплуатации и анализа данных экспериментов, а также для закладки фундамента на будущее».
По состоянию на 2022 год несколько «крупных проектов», определенных в качестве приоритетных в 2014 году P5, значительно отстали от графика или столкнулись с разрывами в стоимости, в том числе:
Процесс P5 состоялся весной 2023 года и был основан на результатах процесса Snowmass 2021 , завершившегося летом 2022 года. [14] Исследование Snowmass 2021 выявило две экзистенциальные угрозы для отрасли, на которые P5 должен обратить внимание:
Наряду с этими основными проблемами P5 также сталкивается с областью, которая менее едина, чем в 2014 году, что подчеркивается в названии отчета Scientific American о результатах Snowmass 2021: «Физики борются за объединение вокруг планов на будущее». [15] Некоторые представители этой области заявили, что давление с целью выработки единого мнения душит дебаты, а один из физиков сказал репортеру Physics Today : «Есть большие вопросы, которые люди не обсуждали». [16] Председатель комиссии Хитоши Мураяма выразил осведомленность об этой проблеме, заявив, что «поддержка сообщества является ключом» для успеха отчета P5. [18]
Состав P5 2023 года был объявлен в декабре 2022 года, его возглавил Хитоши Мураяма из Калифорнийского университета в Беркли. [2] [19] См. официальную страницу.
Как и в 2014 году, все члены P5 2023 года являются физиками-теоретиками по частицам и ускорителям; ни один из членов не специализируется на управлении проектами. [19] Это ставит комитет в хорошее положение для оценки ответов на «кошмарный сценарий». Однако это затрудняет для членов оценку того, имеет ли информация о стоимости и графике, предоставленная комитету, надежную основу. Этот недостаток опыта может объяснить, как P5 2014 года не смогла предвидеть кризис стоимости и графика LBNF/DUNE, и затруднит для P5 2023 года предотвращение «сценария SSC». [ необходима цитата ]
Регина Рамейка из Управления науки Министерства энергетики США резюмировала обвинение P5 [20] в презентации Консультативной группы по физике высоких энергий 8 декабря 2022 года. [21] Обвинение потребовало от P5:
Приоритетность проектов рассматривается в рамках двух сценариев финансирования от Министерства энергетики (DOE) и Национального научного фонда (NSF). [22] Первый, который физики описали как «мрачный», предусматривает 2%-ное увеличение в год бюджетов физики высоких энергий для DOE и NSF. Второй предполагает полное финансирование из Закона о CHIPS и науке 2022 года [23] и 3%-ное увеличение в год для DOE и NSF HEP. P5 просят рассмотреть эксплуатационные расходы, включая рост стоимости энергии для работы ускорителей. [22]
В течение 2023 года P5 получала информацию от сообщества через встречи, которые включали приглашенные доклады и запрошенные доклады в формате «городской ратуши». Четыре встречи были проведены в национальных лабораториях. [24] [25] [26] [27] Также были проведены две виртуальные городские ратуши. [28] [29] Темы встреч охватывали цели физики по всему спектру тем, определенных исследованием Snowmass, а также баланс университетских и лабораторных исследований, возможности для начинающих ученых и необходимость работы с общественностью.
Осенью 2023 года Группа P5 получила вклад от Международной подгруппы по сравнительному анализу HEPAP, возглавляемой учеными Fermilab. [30] Этот отчет [31] является одним из серии оценок науки, поддерживаемой DOE в международном контексте. Различия между физикой высоких энергий и остальным физическим сообществом очевидны в отчете. Например, отчет о том, что цитирование является плохой метрикой для измерения научного воздействия. Два момента, высказанные в отчете, особенно актуальны для соображений P5: [31] 1) США должны отдать приоритет статусу «партнера по выбору» и 2) США требуют ряда размеров проектов и целей для поддержания здоровой «научной экосистемы».
Основным результатом сравнительного отчета стало то, что «США не всегда рассматриваются как надежный партнер, в основном из-за непредсказуемых бюджетов и неадекватной коммуникации, и что недостатки во внутренних программах HEP ставят под угрозу лидерство США». [30] В отчете подчеркивается, что отмена в 1993 году сверхпроводящего суперколлайдера и внезапное прекращение в 2008 году программы физики B в Стэнфордском центре линейных ускорителей, а также внезапное завершение программы TeVatron в Фермилабе с последующим немедленным демонтажем ускорителя привели к тому, что международное сообщество утратило уверенность в том, что США завершат проекты. [30] Не касаясь напрямую проекта DUNE, эта рекомендация указала на потенциальное негативное влияние на международное сотрудничество, если DUNE будет резко сокращен P5.
Вторая важная рекомендация отчета по сравнительному анализу была сосредоточена на необходимости поддержания программы проектов всех масштабов, от малых до крупных, и которые выбираются для конкретного улучшения областей, в которых технологии США отстают, например, в области физики ускорителей. [30] Это перекликается с призывами сообщества, высказанными в городских залах P5.
В декабре 2023 года был опубликован отчет P5 2023 года. [32] Предложения, содержащиеся в нем, были призваны помочь лучше понять некоторые из текущих проблем физики элементарных частиц, включая вызовы Стандартной модели , и включают исследования, в первую очередь касающиеся гравитации , черных дыр , темной материи , темной энергии , бозона Хиггса , мюонов , нейтрино и многого другого. [33] [34]
В отчете P5 за 2023 год определены три научных драйвера, каждый из которых имеет два экспериментальных подхода:
«Расшифровать квантовый мир» посредством «Прояснения тайн нейтрино» и «Раскрытия секретов бозона Хиггса». [32]
«Исследовать новые парадигмы в физике» посредством «поиска прямых доказательств существования новых частиц и преследования квантовых следов новых явлений». [32]
«Осветить скрытую Вселенную» посредством «Определения природы темной материи» и «Понимания того, что движет космической эволюцией». [32]
Рекомендации, последовавшие за заявлением о целях, отражали рекомендации, высказанные в ходе процесса Snowmass, а также рекомендации Международной группы по сравнительному анализу, рассмотренные выше.
В частности, в Рекомендации 1 говорилось: «Как наивысший приоритет, не зависящий от бюджетных сценариев, [финансирующие агентства должны] завершить строительные проекты и поддержать операции текущих экспериментов и исследований, чтобы обеспечить максимальную науку». [32] Это отражает обеспокоенность всего сообщества возможными резкими отменами текущих проектов по физике элементарных частиц, как отмечено Группой по сравнительному анализу. Отчет P5 стремился контролировать повествование о проекте DUNE, который пережил взрывной рост затрат между отчетами P5 2014 и 2023 годов и теперь отстает от конкурирующего проекта HyperKamiokande, который начнется в 2027 году. [34] P5 предложил компромиссы по мощности пучка для фазы I DUNE и сокращения модернизаций фазы II DUNE, чтобы сохранить финансирование проекта на пути к началу сбора данных в 2031 году.
Несмотря на проблемы с DUNE, P5 рекомендовал начать работу над новым мегапроектом, называемым мюонным коллайдером. [32] Ускорение и столкновение мюонов для исследований физики элементарных частиц дает теоретические преимущества по сравнению с электронно-позитронным коллайдером, но представляет собой непроверенное и сложное новое направление с практической точки зрения. В отчете говорится: «Хотя мы не знаем, осуществим ли в конечном итоге мюонный коллайдер, дорога к нему ведет от нынешних сильных сторон и возможностей Фермилаба к серии усовершенствований протонных пучков и установок нейтринных пучков, каждая из которых производит науку мирового класса, выполняя критически важные НИОКР в направлении мюонного коллайдера. В конце пути находится непревзойденная глобальная установка на территории США. Это наш мюонный выстрел». [32] Стоимость мюонного коллайдера на 10 ТэВ в отчете не оценивалась.
В отчете был сделан новый акцент на космологии и астрофизике как на разделах физики элементарных частиц. [32] P5 поместил эксперимент CMB-S4 стоимостью 800 млн долларов на первое место в списке новых проектов. [34] В отчете также подчеркивалась важность запланированного расширения детектора нейтрино IceCube в Антарктиде, и рекомендовалось финансирование этого нового проекта при любом бюджетном сценарии.
В рекомендации с необычным уровнем конкретики относительно ее реализации P5 представила новую программу под названием «Продвижение науки и технологий посредством гибких экспериментов» (ASTAE). [32] Это отвечает призывам сообщества поддержать «малые» эксперименты, которые физика элементарных частиц определяет как имеющие общую стоимость менее 50 млн долларов. В отличие от других программ, эта рекомендация предусматривала инвестирование 35 млн долларов в год в ASTAE. Эта рекомендация снова отразила опасения, выявленные Международной группой по сравнительному анализу.
Американское физическое общество, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Лаборатория SLAC организовали одобрение отчета P5 сообществом. [35] По состоянию на 15 января число одобренных составило 2602 ученых США. Среди одобренных 37% были штатными преподавателями или научными сотрудниками лабораторий, 9% были внештатными преподавателями или научными сотрудниками лабораторий, 16% были постдокторантами, 20% были аспирантами, а остальные были представителями других категорий. Географическое распределение одобрений в значительной степени благоприятствовало Иллинойсу, родине Fermilab, и Калифорнии, родине SLAC.
Всего через шесть месяцев после публикации отчета P5 2023 года первый и шестой приоритетные новые проекты, CMB-S4 и IceCube-Gen2, столкнулись с серьезными неудачами из-за призыва NSF немедленно заняться неотложной необходимостью обновления инфраструктуры Южнополярной станции. [36] В ответ NSF приостановил установку новых проектов до конца 2020-х годов. [37] Отсутствие краткосрочного доступа к инфраструктуре на полюсе привело к тому, что NSF и DOE отменили совместный проект CMB-S4, несмотря на решительные протесты руководства P5 и призывы международной команды из 500 человек. [38] Проект IceCube-Gen2, установку которого планировалось начать в конце 2020-х годов, [39] может пострадать от задержек из-за реконструкции инфраструктуры.