美国粒子物理未来十年战略规划在美国能源部(DOE)的高能物理办公室和国家科学基金会(NSF)的要求 下，为制定美国粒子物理未来十年在不同预算假设下的发展计划，高能物理顾问 团(HEPAP )改组 了 粒子物理项目优化小组(Particle Physics Project Prioritization Panel,简称P5)本报告是P5小组经过多次会议讨论，并邀请全球粒子物理界 的专家提出建议，最终在2008年5月29日定案报告指出了美国粒子物理在目 前严峻的财政挑战下的困难和机遇，建议了三个重点研究前沿，并制定了不同预 算假设下的发展计划本文对报告内容进行了编译，以期对我院从事相关研究的 管理和科研技术人员能有所借鉴粒子物理是物理科学的一个重要组成部分，侧重于物质与能量的基本性质， 和空间与时间的基本性质这个领域的发现，通常称为高能物理，将改变我们对 自然的基本理解粒子物理的标准模型(SUHKlard Model)准确描述了基本粒子 及其相互作用但是，实验和观测强烈的指向了一个更深更基础的理论，这理论 将在未来十年的突破中开始显露要解决粒子物理中的核心问题，研究人员在三个互相关联的前沿，使用了一 系列的工具和技术：•能源前沿。
利用高能对撞机发现新粒子，并直接探索各种基本力的体系 结构•强度前沿利用强粒子束揭示中微子的性质，并观察稀有过程以发现超 越标准模型的新物理•宇宙前沿利用地下实验与地面和空间的槊远镜，揭示暗物质和暗能量 的性质，并从空间使用高能粒子以探测新现象这三个前沿形成一个相互连结的框架，提出了有关自然和宇宙定律的基本问 题这三种方法提岀不同的问题，使用不同的技术，但它们最终冇着相同的目标 转换禾斗学 (transformational science) □1.变化中的背景最近的报告，包括国家研究理事会的“揭示空间和吋间的隐藏性质” (EPP2010 报告)和P5的早期报告，已经讨论了美国粒子物理的前景尽管这些报告的科 学优先冃标一直没有改变，但其描述的科学机遇的背景却已经改变了美国的粒子物理正处于转型期三个高能物理对撞机中的两个，已经永久的 停止运作了余下的一个，费米实验室的Tevatron加速器，将在今后的几年内关 闭 Tevatron加速器界定了几十年的能量前沿，将移到欧洲，届时欧洲核子研 究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)将开始运作美国高能物理学家们 在发展和建立LHC计划中发挥了领导作用，他们是LHC共同研究的一个重要组 成部分，是从单独一个国家来的最大的团队，约有一半的美国实验粒子物理学家 将参加LHC实验。
在这个转型期，严峻的财政挑战改变了美国粒子物理的前景国际直线对撞 机(International Linear Collider, ILC)由于庞大成本估计而推迟计划，并导引粒 子物理界用新的眼光看待未来十年的科学机遇在2007年12月的综合议案中， 严重的资助减少停止了几个项目的工作，并对整个领域产生了破坏性的影响P5 小组将制定一项考虑这些新现状的战略规划2. 总体建议粒子物理研究物质和能量以及控制其相互作用的力的基本构成重大的科学 机遇指向粒子物理未来十年的重大的发现粒子物理的研究已激励几代年轻人投身科学，造福物理科学所冇分支，并增 强了科研队伍引用EPP2010报告的内容：“如果美国耍长期维持其科技的领导地位，粒子物理的强有力的作用是必不 可少的因此，P5小组捉出了以下总体建议：小组建议，美国应保持其在世界范围内粒子物理中的领导地位小组建议成 立一个强有力的综合性的研究项目，研究粒子物理领域的三个前沿：能量前沿， 强度前沿和宇宙前沿3. 能量前沿能量前沿加速器中的实验，将在粒子及其相互作用方面做出重大发现他们 将提岀关于宇宙的物理性质的关键问题：粒子物质的起源，新对称性的存在，空 间额外维度的存在，暗物质的性质。
目前，费米实验室的Tevatron加速器是世界 上运作的最高能量对撞机P5小组建议今后一到两年内继续支持Tevatron对撞机计划，以利用其潜力 获得发现在不远的将来，位于瑞士口内瓦的CERN的LHC,将实现比以往任何加速 器都高得多的碰撞能量，以探索“万亿级”(Temscale)的能量范围LHC代表 了二十多年的国际努力和投资的最高点，其中美国是主要参与者LHC的实验 •正准备做出激动人心的发现，这些发现将改变我们对自然的基木理解美国参与 LHC的整个开发在美国高能物理计划中有着最高的优先级P5小组建议支持美国LHC计划，包括美国加入已计划好的探测器升级和 加速器升级国际粒子物理界已达成共识，充分了解Terascale的物理性需耍轻子对撞机， 正如其也需要LHC-样P5小组重中了轻子对撞机的重要性在未来儿年内， LHC产生的结果将确定其所需要的能量如果最佳的初始能量被证明在或者是 低于500GeV左右，那么ILC是未来十年中最成熟的和现成的选择如呆初始能 量远远高于500GeV,这意味着需要考虑其他的对撞机技术轻子对撞机的成本 和尺寸意味着它将是一个国际项冃，其成本要由许多国家来分担。
国际协商将决 定其选址，主办国需确保是能量前沿的科学领导者无论未来轻子对撞机使用何 种技术，其选址位于何处，美国需要规划，以在其中扮演重要的角色在未来几年里，如果ILC成为国际学术界的选择，那么美国应继续参加国际 ILC研发计划，以让美国能在其中占冇重要的地位美国还应参与替代加速器技 术(alternative accelerator technologies)的协同研发，替代加速器技术是轻子对 撞机所需耍的技术P5小组建议在不久的将来推出轻子对撞机的加速器和探测器研发计划，其 中包括ILC上的持续研发，在国际努力支持下，资助应会达到财年2009的大致 水平这样，无论ILC建在哪里，美国都能在其中有着重耍的地位P5小组述 建议支持替代加速器技术的研发，这样，当轻子对撞机能量确定时，冇一个明智 的选择4.强度前沿最近的惊人发现，使得中微子性质的研究成为一个极为重要的研究领域中 微子性质的测量是了解超越标准模型的物理的基础，并对宇宙的演化产生深远的 推论加速器和探测器技术最新的发展，以及测量稀有过程的实验，使中微子科 学获得了新的科学机遇美国可以借助费米实验室的独特能力和基础设施，与为 南达科他州(South Dakota)的Homestake煤矿建立的深层地卜-科学与工程实验 室(Deep Underground Science and Engineering Laboratory, DUSEL), 建立一个 世界领先的中微子科学计划。
这样的一个计划将需耍费米实验室的多兆瓦供电中 微子源(multi-megawatt-powered neutrino source) □“P5小组建议，利用DUSEL的人型探测器和费米实验室的高强度中微子源, 制雄一个世界级的中微子计划作为美国计划的一个核心组成部分P5小组建议在不久的将来通过一项研发计划，来设计费米实验室的多兆瓦 质子源和DUSEL的中微子光束，并建议对大型多用途中微子和质子衰变探测器 进行技术研发这些设施的建设可以在本报告考虑的十年时期内启动需要建立一个多兆瓦质子源的中微子计划将是走向未來中微子源的一个跳 板，如基于介子储存环的中微子工厂，如果科学最终需要一个更强大的中微子源 这反过来能为美国计划定位，发展卩子对撞机作为美国重返能量前沿的一个长期 的方法DUSEL是中微子计划蓝图中的关键，对暗物质、质子衰变和无中微子双P 衰变(neutrinoless double beta decay)的非加速器实验探索(nonaccelerator experiments searching)也是很重要DOE和NSF应该明确定义这样一个计划的 工作责任P5小组认可粒子物理深层地下实验室的重耍性，会敦促NSF使这个设施 得以尽快实现。
此外，P5小组建议DOE和NSF共同努力，以实现DUSEL的实 验粒子物理计划贯穿稀有过程测量的科学机遇包括了寻找卩介子到电子的转换和稀冇K介子 与B介子衰变的实验如此精辟的实验，是LHC实验的补充，将探索Terascale 和可能高得多的能量P5小组建议对稀冇过程测量的资助应在某种程度上取决于可用资金水 平5. 宇宙前沿虽然宇宙的95%看来似乎是由暗物质和暗能量组成，但我们对这两种组成所 知茯少了解暗物质和暗能量的性质是粒子物理的核心——研究英性质的基本组 成、属性和相互作用美国是目前宇宙前沿探索的领导者暗物质搜寻实验，以地面为基础和以空 间为基础的喑能量研究提供了颇具吸引力的机会此外，其他两个宇宙前沿领域 提供了重要的科学机遇：空间的高能粒子和宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background)的研究作为美国粒子物理计划的一个主要部分,P5小组建议支持对暗物质和暗能 量的研究P5小组建议,DOE应支持空间为基础的联合暗能量任务(Joint Dark Energy Mission, JDEM),与美国航天局(NASA)合作，与NASA在适当的层次协商 以解决问题。
P5小组建议，DOE应支持地面为基础的大型巡天望远镜计划(Large Synoptic Survey Telescope program, LSST),在整体计划预算的方面，与 NSF 协 调以解决问题P5小组还建议NSF和DOE联合支持直接寻找暗物质的实验P5小组建议对其他粒子天体物理项目进行有限的研发资助，并建议建立一 个粒子天体物理科学咨询小组6. 支撑技术美国必须继续在加速器和探测器研发中取得进展，才能维持美国在强度前沿 和宇宙前沿的领导地位，让美国恢复能量前沿的地位，以及开发各种应用以造福 社会P5小组建议在加速器研发方而实施更广泛的战略计划，包括继续研究ILC 技术、超导射频、高梯度正常传到加速器、中微子工厂和卩子对撞机、等离子和 激光加速、以及其他支撑技术，同时支持基础加速器科学P5小组建议在技术战略选择上支持探测器研发计划，以让将来的实验能推 动该领域的发展，这是计划的一个基本部分7. 造福社会了解周围世界的动力，是人性的基本部分基础科学的研究，为科学技术形 成长期的基础捉供了想法和发现，这反过来又驱动全球经济和我们的生活方式 每一代的粒子加速器和探测器建立在其前一代的基础上，提高了发现的潜力，并 推动技术向更高的水平发展。
从30年代最早的高能物理到最近的21世纪举措， 粒子物理中大胆和创新的思想和技术已进入了主流社会，并改变我们的生活方 式粒子物理的独特Z处是它的规模：尺寸和复杂性不仅体现在加速器和探测器 上，也体现在科学合作上例如，超导磁体在费米实验室Tevatron加速器建立Z 前就存在，但加速器的规模使这种超导磁体的生产形成了工业流程，从而引导了 磁共振成像的成木效益技术万维网的发明解决了数以白计的物理学家国际合作 的沟通问题，粒子物理学家工作的规模，引导了创新，广泛的造福了社会粒子物理对工作人群有着深远的影响人多数学过粒子物理的学生，能在不 同的国家经济部门找到他们的位置，如国防、信息技术、医疗仪器、电子、通信、 运输、生物物理和金融，这些地方都需耍工作者貝有高度发达的分析能力和技术、 有在复杂项H中的人型团队工作的能力，和创造性的思考来解决独特问题的能 力8. 国际背景粒子物理提供的科学机遇，将来自全世界每一个角落的科学家汇集起来，共 同完成世界范围的实验和项冃现今最大的加速器和实验的技术规模和成木都超 出了任何单独一个国家所能运作的能力粒子物理项目一开始就在国。