[论文解读] Report of the 2021 U.S. Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021) Summary Chapter

J. N. Butler, R. Sekhar Chivukula+41 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

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一句话总结

2021年美国高能物理未来研究社区调查（Snowmass 2021）综合了长达十年的社区主导规划工作，旨在确定至2030年及以后美国高能物理的优先科学目标、实验和基础设施。报告建议采取以希格斯玻色子、中微子质量、暗物质、宇宙加速膨胀以及新物理为核心的多领域协同战略，并强烈支持理论、计算以及多样性、公平性和包容性举措，以维持该领域在全球的领导地位。

ABSTRACT

The 2021-22 High-Energy Physics Community Planning Exercise (a.k.a. ``Snowmass 2021'') was organized by the Division of Particles and Fields of the American Physical Society. Snowmass 2021 was a scientific study that provided an opportunity for the entire U.S. particle physics community, along with its international partners, to identify the most important scientific questions in High Energy Physics for the following decade, with an eye to the decade after that, and the experiments, facilities, infrastructure, and R&D needed to pursue them. This Snowmass summary report synthesizes the lessons learned and the main conclusions of the Community Planning Exercise as a whole and presents a community-informed synopsis of U.S. particle physics at the beginning of 2023. This document, along with the Snowmass reports from the various subfields, will provide input to the 2023 Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) subpanel of the U.S. High-Energy Physics Advisory Panel (HEPAP), and will help to guide and inform the activity of the U.S. particle physics community during the next decade and beyond.

研究动机与目标

• 基于整个美国高能物理社区的输入，确定未来十年及更长时间内最紧迫的科学问题。
• 通过综合多个科学前沿和子领域的建议，指导资源分配和基础设施投资。
• 通过促进多样性、公平性和包容性，以及支持早期职业研究人员和跨学科合作，加强美国高能物理事业。
• 为2023年粒子物理项目优先级评估小组（P5）子小组的决策过程提供基于社区意见的基础。
• 通过协调投资于加速器、探测器、计算和理论研究，确保在基础物理领域的持续领导地位。

提出的方法

• 开展了一项大规模、全社区参与的规划工作，涉及11个科学前沿和11个跨领域主题的数千名科学家。
• 综合了11份前沿报告（例如，加速器、宇宙、中微子、理论）和15份专题白皮书的输入，以确定优先项目和研究方向。
• 通过专门论坛和实施任务组，评估未来对撞机选项，包括e+e−和μ+μ−对撞机。
• 整合了天体物理学、核物理学、量子信息和材料科学等相邻学科的视角，以识别协同机遇。
• 建立了社区参与、早期职业科学家纳入以及多样性、公平性和包容性（DEI）举措的框架。
• 制定了一份协调一致、共识为基础的美国高能物理愿景，与国际努力保持一致，并为国家资助决策提供依据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接下来的10至20年中，高能物理领域最引人注目的科学问题是什么？如何通过协调研究和基础设施来应对这些问题？
• RQ2 美国高能物理界如何最好地利用希格斯玻色子作为探测标准模型之外新物理的工具？
• RQ3 在发现暗物质和中微子质量本质方面，最具前景的实验和理论路径是什么？
• RQ4 与天体物理学、核物理学和量子信息科学的跨学科合作如何增强发现潜力？
• RQ5 为确保美国高能物理事业的长期可持续性、多样性以及全球领导地位，需要哪些结构性和制度性变革？

主要发现

• 美国高能物理社区已确定五大核心科学驱动力：将希格斯玻色子作为发现工具、探测中微子质量、识别暗物质、理解宇宙加速膨胀，以及探索新粒子和相互作用。
• 在继续投资大型设施（如未来对撞机，包括e+e−和μ+μ−对撞机）方面达成了强烈共识，相关详细建议来自专门论坛和实施任务组。
• 社区强调必须持续支持理论物理、现象学和计算理论，包括在量子信息和模拟等跨领域工作。
• 强烈推荐支持仪器、计算和加速器研发，认为这些是实现未来实验和保持技术领导地位的关键。
• 报告强调了早期职业科学家参与的重要性，建议加强导师制、拓宽职业发展路径，并确保规划过程中具有包容性的代表性。
• 战略性的、协调一致的多样性、公平性和包容性举措获得认可，认为这是获取全部人才资源并维持科学事业健康发展的关键。