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美国粒子物理大型项目的成本激增

2021-09-26 09:49     来源:Science     粒子物理

一台输送机已经在从南达科他州的 Homestake 金矿中运出岩石,在那里,一个巨大的中微子探测器将被安置在地下 1.5 公里处。马修卡普斯特/桑福德地下研究设施

美国粒子物理学的未来所依赖的巨大新实验远远超出预算,而且比计划晚了很多年,而该实验的主办方费米国家加速器实验室 (Fermilab) 的领导层更替正在加剧混乱。长基线中微子设施/深地下中微子实验 (LBNF/DUNE) 是一项探索自然界最难以捉摸的粒子的巨大努力,现在预计耗资30 亿美元,比初步估计高出 60%,而且建设已经推迟了 4 年,预计在 2029 年发布第一批数据。不断上涨的成本迫使能源部重新评估该项目的设计,尽管能源部官员表示他们没有缩小规模的计划。

“能源部不打算实施任何会牺牲实验科学范围的缩小范围,”能源部高能物理副主任吉姆西格里斯特在给科学的电子邮件中写道。一些物理学家希望能源部能够获得资金来弥补一项 3.5 万亿美元的重振经济支出计划的超支,该计划目前正在国会进行辩论。该支出计划的众议院版本包含 13 亿美元用于 LBNF/DUNE。但通道远非确定。

LBNF/DUNE 将从伊利诺伊州费米实验室发射几乎无法探测到的称为中微子的粒子,发射到 1300 公里外南达科他州一个废弃金矿的地下粒子探测器。中微子分为三种类型——电子、介子和 tau——它们在以近光速快速移动时会相互转化。LBNF/DUNE 旨在对这种中微子振荡理论进行最终测试,并寻找中微子和反中微子振荡方式的差异,这可能有助于解释宇宙如何产生比反物质更多的物质。

预算超支是 20 年来在 Homestake 矿深处建立一个巨大的中微子实验的最新尝试,那里 1.5 公里的岩石将阻止宇宙射线的推断。2001 年,物理学家提议美国国家科学基金会在 Homestake 建造一个巨大的地下实验室,但 10 年后 NSF 的管理委员会拒绝了。美国能源部很快确认它想要中微子实验,但只是当时估计花费的 19 亿美元的一半。物理学家通过邀请国际贡献来保持该项目的规模,并且在 2013 年欧洲粒子物理实验室 CERN 表示将参与其中。

2015 年 11 月 5 日,美国能源部批准了两部分实验的概念设计,初步成本范围为 12.6 亿美元至 18.6 亿美元。LBNF 包括建筑物、费米实验室的新中微子束、南达科他州的实验大厅以及用于容纳中微子探测器的巨大冷藏浴缸。DUNE 仅由探测器组成,其中一个位于南达科他州,装有 70,000 吨低温液态氩,还有一个位于费米实验室的较小的探测器,用于监测出射光束。

建造探测器至少需要 1 年时间才能获得批准,但这些设施的建设于 2019 年在伊利诺伊州和南达科他州分别于 2019 年和 2017 年开始。今年 5 月,工人们测试了可将 800,000 吨岩石运出矿井的输送系统。Siegrist 说,有几个因素导致成本急剧上升:矿山老化的基础设施需要升级,在 Homestake 安装精密探测器将比预期更困难,费米实验室的较小探测器需要比原先设想的更灵敏。多位消息人士称,挖掘和建造建筑物约占成本的 20 亿美元。

美国能源部从 10 月 1 日开始的 2022 财年预算请求还指出,国际捐款低于预期。尽管如此,国际合作伙伴仍在为 Homestake 探测器最终四个模块中的前两个模块支付一半的费用,而欧洲核子研究中心将为这两个模块建造冰箱,曼彻斯特大学的中微子物理学家兼联合发言人 Stefan Söldner-Rembold 指出。 1300 人的 DUNE 团队。

初步成本超支如此之大,以至于能源部的规定要求官员重新考虑项目的概念设计。但他们似乎不太情愿。Siegrist 说,一旦新的成本估算最终确定,“能源部将重申项目范围并批准新的成本和进度范围。” 也就是说,DOE 设想保持设计和改变成本,而不是相反。

一年之内,这种灵活性将消失,因为项目负责人必须提供最终的详细成本计算和施工时间表。Söldner-Rembold 说,鉴于已经完成的工作和解决的问题,研究人员相信他们可以制定可靠的基线。“不同之处在于,现在一切都摆在桌面上,”他说。

DOE 的策略意味着 LBNF/DUNE 将需要更多资金,物理学家希望这将来自支出计划。弗吉尼亚理工学院和州立大学的理论家帕特里克·胡伯 (Patrick Huber) 说:“拥有对美国作为一个知识强国的长期竞争力很重要的真正优秀的东西,却找不到钱似乎真的很悲惨。”

众议院科学委员会成员、前费米实验室物理学家比尔·福斯特 (D-IL) 众议员表示,他相信支出计划将会通过,并将包括对 LBNF/DUNE 的资助,因为美国粒子物理学家将该项目作为 2014 年的优先事项。长期计划。“当一个项目得到科学界的全力支持时,如果成本有所增加,国会将其切断是错误的,”福斯特说。如果该计划没有通过,DOE 可能不得不削减其他高能物理项目以支持更昂贵的 LBNF/DUNE。

费米实验室可能不得不在没有现任董事奈杰尔·洛克耶的情况下继续推进,奈杰尔·洛克耶于 9 月 10 日宣布,一旦找到替代者,他将下台。洛克耶拒绝讨论他的理由,但能源部似乎想改变实验室的管理层。在给 LBNF/DUNE 国际合作者的一封信中,美国能源部科学办公室代理主任 Siegrist 和 Stephen Binkley 表示,该办公室“将这一变化视为重振费米实验室所有努力的机会。”

美国能源部官员和研究人员认为洛克耶指导费米实验室度过了艰难时期。他于 2013 年抵达,也就是其旗舰原子粉碎机 Tevatron 关闭两年后,将 2012 年著名的希格斯玻色子的发现让给了欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。帮助招募洛克耶的芝加哥大学宇宙学家迈克尔·特纳 (Michael Turner) 说,洛克耶召集了费米实验室和美国物理学家围绕中微子计划。“他让我们在中微子领域处于领先地位,并完成了能源部有史以来最大的项目。”


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