Update to the U.S. National Input to the European Strategy Update for Particle Physics

该文件更新了美国社区自 2025 年 4 月 1 日以来对欧洲粒子物理战略更新（ESPPU）的输入情况，回应了修订后的问题，并重点介绍了美国国家科学院、工程院和医学院发布的长期战略报告以及美国缪子对撞机合作组的正式成立。

要点

这篇文件就像是一份美国粒子物理界的“未来路线图”更新版。它告诉欧洲同行（特别是欧洲核子研究中心 CERN）：美国科学家现在在想什么，打算做什么，以及他们希望如何与欧洲合作。

为了让你更容易理解，我们可以把粒子物理研究想象成人类在建造“宇宙望远镜”和“超级加速器”来探索宇宙的终极秘密。

以下是这份文件的通俗解读：

1. 背景：我们刚刚开完“家庭会议”

美国科学家最近经历了一场大规模的“家庭会议”（从 2021 年的 Snowmass 社区规划开始）。

• P5 报告（2023 年）： 这就像是一个10 年期的“家庭预算计划”。由美国能源部和 NSF 委托制定，大家讨论未来 10-20 年钱该怎么花。结论是：美国目前没钱自己建最大的加速器，但必须参与国际项目。
• NASEM 报告（2025 年 6 月）： 这是美国国家科学院出的**“百年大计”愿景书**。它看得更远（40 年），不仅关注怎么省钱，更关注如何创新。

核心变化： 以前大家还在犹豫，现在美国科学家达成了两个新共识：

1. 我们要造“缪子对撞机”（Muon Collider）： 这是一种未来的超级机器，美国打算自己带头研发，目标是到本世纪中叶（2050 年左右）在美国建一个世界最高能的粒子对撞机。
2. 我们要全力参与欧洲的“希格斯工厂”： 欧洲正在研究一种叫 FCC-ee 的环形对撞机，用来专门研究“希格斯玻色子”（上帝粒子）。美国决定：“算我们一份！”

2. 美国现在的“行动清单”

文件里提到了几个具体的“新动作”，就像是一个团队刚接了新任务：

• 成立“缪子对撞机联盟”： 以前大家是散兵游勇，现在正式组队了，专门负责研发这种高难度技术。
• 国家实验室“特别行动组”： 8 个美国国家实验室的负责人联手，专门研究怎么造缪子对撞机，并在 2026 年中出报告。
• 调整重心： 美国原本有个“希格斯工厂协调组”，现在明确把重心放在了欧洲的 FCC-ee 方案上，准备帮欧洲造探测器、搞加速器技术。

⚠️ 一个坏消息（预算问题）：
虽然计划很宏大，但现在的钱包有点紧。美国的预算比之前预期的还要少，特别是支持探测器、计算和科学家个人的资金比较紧张。这就像你想造一艘大船，但买木头的钱有点不够。

3. 回答欧洲提出的三个关键问题

欧洲人问美国：“你们到底想选哪个？”美国团队这样回答：

问题 1：你们首选哪个大型加速器？

• 回答： 我们首选希格斯工厂（专门研究希格斯粒子的机器）。
• 具体方案： 我们强烈支持欧洲的 FCC-ee（一种巨大的环形对撞机）。如果欧洲决定建它，美国会出钱、出人、出技术，一起造。
• 备选： 如果欧洲不选环形，改选直线对撞机（Linear Collider），我们也支持，只要欧洲快点拍板。

问题 2：如果首选方案行不通（比如技术太难或太贵），备选是什么？

• 回答： 如果 FCC-ee 搞不成，我们还有很多其他想法。
  • 有人在看直线对撞机。
  • 有人在看其他通往高能物理的路径。
  • 但是，具体选哪个，得看欧洲那边为什么不行，以及时间来得及来不及。我们需要更多讨论才能定下来。

问题 3：如果首选方案没有竞争力（比如别国有更好的方案），怎么办？

• 回答： 这个问题现在很难回答，因为我们还没看清全球的大棋局。美国建议：等过几年，看看国际形势变了没，到时候再重新讨论这个问题。

4. 未来的“终极梦想”：缪子对撞机

除了参与欧洲的项目，美国还有一个20-30 年后的终极梦想：

• 目标： 在本世纪中叶（2050 年左右），在美国本土建一个世界最高能的粒子对撞机。
• 技术路线： 使用缪子（Muon）。缪子比电子重，比质子小，是制造超级对撞机的“完美材料”，但技术难度极高（就像要在针尖上跳舞）。
• 时间表： 如果资金到位、技术突破，美国希望在2040 年代中期开始建造，随后开始运行。

5. 总结：我们要一起“打怪”

这份文件的核心思想是：“单打独斗不行，我们要抱团。”

• 短期（未来 10-20 年）： 美国会全力配合欧洲在 CERN 建设FCC-ee，把它当成研究希格斯粒子的最佳场所。同时，美国会利用现有的项目（如 DUNE 中微子实验）继续探索暗物质、宇宙膨胀等谜题。
• 长期（20-40 年）： 美国会自己研发缪子对撞机，争取在未来成为世界粒子物理的“领头羊”。

一句话总结：
美国科学家对欧洲说：“我们现在的钱虽然不多，但我们的野心很大。短期内，我们愿意做你们最好的‘副驾驶’，一起在欧洲建希格斯工厂；长期来看，我们要自己造一艘更厉害的‘宇宙飞船’（缪子对撞机），到时候我们再来领跑。让我们携手优化资源，一起揭开宇宙的终极秘密吧！”

技术摘要

这份文件是美利坚合众国粒子物理界向欧洲粒子物理战略更新（ESPPU）提交的更新报告，由美国物理学会（APS）粒子与场部（DPF）和束流物理部（DPB）执行委员会代表撰写。报告日期为 2025 年 11 月 13 日，旨在更新自 2025 年 4 月 1 日以来的美国社区输入情况，并回应欧洲粒子物理战略更新（ESPPU）修订后的问题。

以下是该报告的详细技术摘要：

1. 问题背景 (Problem)

美国粒子物理界面临的核心挑战是如何在预算受限的背景下，制定未来 10-40 年的长期战略，以应对欧洲核子研究中心（CERN）正在进行的欧洲粒子物理战略更新。具体包括：

• 后 LHC 时代的加速器选择：确定下一代大型对撞机的类型（如希格斯工厂）及其地点（欧洲还是美国）。
• 预算约束：美国当前的粒子物理预算低于 P5 报告中较为乐观的资助情景，特别是 NSF 对探测器、计算和独立研究者的资助受到严重影响。
• 战略协调：需要协调美国国内规划（P5 过程）与国家科学院（NASEM）的长期愿景，并明确美国在 CERN 未来项目（如 FCC-ee）中的参与程度，同时探索美国本土主导的替代方案（如缪子对撞机）。

2. 方法论 (Methodology)

报告基于美国粒子物理界广泛且严谨的规划流程，主要包含以下步骤：

• 社区规划：始于 2021 年“雪马斯（Snowmass）”社区规划练习，汇集了广泛的社区意见。
• P5 优先排序：由 NSF 和 DOE 授权，粒子物理项目优先排序小组（P5）制定了未来 10 年的战略计划，并在 2023 年 12 月获得高能物理咨询委员会（HEPAP）批准。
• NASEM 长期愿景：美国国家科学院、工程院和医学院（NASEM）受 DOE 和 NSF 委托，发布了《基本粒子物理：希格斯及超越》报告，提供了长达 40 年的长期愿景，侧重于创新和新技术途径。
• 组织化协调：
  • 重组“希格斯工厂协调联盟（HFCC）”为专注于 FCC-ee 的美国希格斯工厂环形对撞机组织。
  • 正式组建“美国缪子对撞机合作组织（USMCC）”，协调国家层面的缪子对撞机研发。
  • 成立由 8 个国家实验室组成的“国家实验室加速器研究小组”，评估缪子对撞机研发需求。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

报告提出了以下核心战略输入和机构性进展：

• NASEM 的七项建议：
  1. 美国应主办本世纪中叶全球最高能量的基本粒子对撞机：要求立即启动国家缪子对撞机研发计划，以建造关键技术演示器。
  2. 参与 CERN 的 FCC-ee：建议美国参与正在 CERN 研究的国际未来环形对撞机（FCC）希格斯工厂项目。
  3. 多元化研究：继续探索中微子物理、基本对称性测试、暗物质/暗能量、宇宙暴胀及物质 - 反物质不对称性等新途径。
  4. 长期投资：在加速器科学、先进仪器、计算及跨学科新兴技术方面进行持续的研发投资。
  5. 国际合作：通过现有和新伙伴关系参与国际规划。
• 机构化进展：
  • USMCC 的成立：标志着美国在缪子对撞机领域从分散研究转向正式的国家协作，并与国际缪子对撞机合作组织紧密合作。
  • 国家实验室研究小组：针对缪子对撞机紧迫的 R&D 需求进行独立评估，预计 2026 年中发布最终报告。
  • 磁体研发路线图：发布了《2025 年美国磁体发展计划路线图》。

4. 主要结果 (Results)

针对欧洲战略更新的具体问题，报告得出了以下结论：

• 首选方案（Post-LHC 加速器）：
  • 美国社区（P5 和 NASEM 均同意）首选希格斯工厂。
  • FCC-ee：美国强烈支持 FCC-ee 作为 CERN 的下一个主要研究基础设施项目，并愿意在建设和物理利用方面进行合作。DOE 已支持将美国的研究重点转向 FCC-ee 的探测器和机器开发。
  • 线性对撞机：如果 CERN 理事会及时批准，美国也支持线性对撞机（LC）方案。
• 备选方案（若首选不可行）：
  • 如果 FCC-ee 不可行，美国社区正在探索线性对撞机设施以及其他通往高能对撞机的替代路径。具体选择取决于首选方案不可行的原因及替代方案的时间表。
• 备选方案（若首选缺乏竞争力）：
  • 目前缺乏足够的全球计划信息来做出确切判断。P5 建议在本世纪 30 年代后期根据国际发展重新审视此问题。
• 长期愿景（下一代对撞机）：
  • 缪子对撞机：美国致力于在本世纪中叶主办全球最高能量对撞机。USMCC 预计，在资金扩大和技术成功的前提下，约 20 年内达到技术设计就绪，可能在 2040 年代中期开始建设。

5. 意义与影响 (Significance)

• 战略对齐：该报告确立了美国粒子物理战略与欧洲战略的协同性，特别是在支持 CERN 的 FCC-ee 项目上，体现了“全球资源优化”的目标。
• 技术路线明确化：通过 NASEM 报告和 USMCC 的成立，美国明确了“双轨制”策略：短期积极参与欧洲的希格斯工厂（FCC-ee），长期致力于发展美国本土的缪子对撞机技术，以争夺本世纪中叶最高能量对撞机的主导权。
• 社区共识：报告代表了 3,200 名美国科学家的支持，反映了美国粒子物理界在预算紧缩环境下，通过优先排序和长期规划维持科学竞争力的决心。
• 研发基础：强调了在加速器科学、计算和仪器方面的持续研发投入是未来科学突破的基石，不仅服务于对撞机，也服务于中微子、暗物质等广泛的前沿物理领域。

综上所述，这份文件是美国粒子物理界在 2025 年关键节点的战略宣言，既表达了对欧洲主导项目的坚定支持，也展示了美国在下一代超高能物理（缪子对撞机）领域的雄心壮志和具体行动路径。