Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas

En mayo de 2014, se publicó el primer informe P5 desde 2008. El informe de 2014 identificó cinco "impulsores científicos" —objetivos destinados a orientar las prioridades de financiación— extraídos de un debate de un año de duración dentro de la comunidad de física de partículas. Estos impulsores científicos son: ^{[ 4 ]}

• El uso del bosón de Higgs como herramienta para futuras investigaciones.
• Investigación de la física de la masa del neutrino
• Investigación de la física de la materia oscura
• Investigación de la física de la energía oscura y la inflación cósmica
• Exploración de nuevas partículas, interacciones y principios físicos.

En busca de los cinco impulsores científicos, el informe de 2014 identificó tres proyectos de "alta prioridad y gran categoría" que merecían una inversión significativa en el período fiscal 2014-2023, independientemente de la situación general de financiación: el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (una mejora propuesta para el Gran Colisionador de Hadrones ubicado en el CERN en Europa); el Colisionador Lineal Internacional (un colisionador de electrones y positrones propuesto , probablemente ubicado en Japón); y la Instalación de Neutrinos de Larga Base (una expansión del Experimento de Neutrinos de Larga Base propuesto (que pasó a llamarse Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos ), que se construirá en Fermilab en Illinois y en la Mina Homestake en Dakota del Sur). ^{[ 5 ]}

Además de estos grandes proyectos, el informe identificó numerosos proyectos más pequeños con potencial para obtener un retorno de la inversión a corto plazo, entre ellos el experimento Mu2e , experimentos de materia oscura de segunda y tercera generación, componentes de física de partículas del Gran Telescopio de Sondeo Sinóptico (LSST) , experimentos sobre el fondo cósmico de microondas y varios experimentos pequeños de neutrinos.

El informe formuló varias recomendaciones para cambios significativos en las prioridades, a saber: ^{[ 4 ]}

• Un aumento en la proporción del presupuesto de física de alta energía destinado a la construcción de nuevas instalaciones, del 15% al ​​20%-25% ^{[ 5 ].}
• Una ampliación del alcance del experimento de neutrinos de línea de base larga a una importante colaboración internacional, con la reorientación de recursos de otros proyectos de I+D hacia el desarrollo de haces de protones de mayor potencia para la instalación de neutrinos.
• Mayor financiación para experimentos de detección de materia oscura de segunda generación.
• Mayor financiación para la investigación sobre el fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés).

El panel destacó que el más conservador de los escenarios de financiación considerados pondría en peligro la capacidad de Estados Unidos para albergar un proyecto importante de física de partículas manteniendo los elementos de apoyo necesarios. ^{[ 4 ]}

Un objetivo del ejercicio P5 de 2014 fue proporcionar al Congreso una hoja de ruta con justificación científica para la financiación de proyectos. Cinco años después, en 2019, la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía declaró: ^{[ 6 ]} "Las asignaciones del Congreso reflejan un fuerte apoyo a P5. El lenguaje en los informes de asignaciones ha reconocido sistemáticamente los esfuerzos de la comunidad en la creación y ejecución de la estrategia del informe P5" y "P5 fue un éxito rotundo". De 2016 a 2020, el presupuesto de Física de Altas Energías (HEP) creció de menos de 800 millones de dólares a más de 1.000 millones de dólares. ^{[ 7 ]}

Sin embargo, los miembros de la comunidad de física de altas energías estaban preocupados porque el aumento de la financiación se destinó principalmente a proyectos, mientras que la financiación para los programas centrales de investigación y tecnología, que también contaban con el apoyo del P5, disminuyó de 361 millones de dólares a 316 millones de dólares. ^{[ 7 ]} En 2020, una evaluación del progreso del programa definido por el P5, elaborada por el Panel Asesor de Física de Altas Energías (HEPAP), concluyó: ^{[ 8 ]} «Si bien las inversiones de los últimos 5 años se han centrado en la construcción de proyectos, será fundamental equilibrar los componentes del presupuesto [de Física de Altas Energías] para continuar con la ejecución exitosa del plan P5. Las operaciones de los experimentos recién construidos requieren apoyo total para alcanzar sus objetivos científicos. El programa de investigación [de Física de Altas Energías] también necesita un sólido apoyo para ejecutar completamente el plan, a lo largo de las fases de construcción, operación y análisis de datos de los experimentos, y para sentar las bases para el futuro».

A fecha de 2022, varios de los "Grandes Proyectos" identificados como prioritarios por el P5 de 2014 se habían retrasado considerablemente o se habían visto afectados por déficits presupuestarios, entre ellos:

• El experimento de neutrinos subterráneo profundo se ha reducido en alcance y su puesta en marcha se ha retrasado de 2027 a 2032. ^{[ 9 ]}
• El experimento mu2e se retrasó de 2020 a 2026. ^{[ 10 ]}
• El inicio del proyecto PIP-II se pospuso de 2020 a 2028. ^{[ 11 ]}
• Las contribuciones de alta luminosidad del LHC de Fermilab enfrentaron un déficit de costos de 90 millones de dólares en 2021. ^{[ 12 ]}
• El Colisionador Lineal Internacional (ILC), propuesto para su construcción en Japón, fue "archivado". ^{[ 13 ]}

El proceso P5 tuvo lugar en la primavera de 2023 y se basó en los resultados del Proceso Snowmass 2021 , finalizado en el verano de 2022. ^{[ 14 ]} El estudio Snowmass 2021 identificó dos amenazas existenciales para el campo que P5 debe abordar:

• Que el campo había entrado en un "escenario de pesadilla" ^{[ 15 ]} porque no se habían observado señales físicas inesperadas en los experimentos del acelerador de mayor energía, el Gran Colisionador de Hadrones. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Como señalaron muchos en la reunión final de Snowmass, esto daba pocas bases para que el P5 de 2023 recomendara nuevos proyectos de gran envergadura. ^{[ 15 ] [ 16 ]}
• Que LBNF/DUNE (también llamado Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos ), el proyecto insignia surgido del P5 de 2014, sería reevaluado debido al aumento vertiginoso de los costos y las demoras prolongadas. ^{[ 15 ]} La escalada llevó a comparaciones con el Supercolisionador Superconductor (SSC), ^{[ 16 ]} un megaproyecto de física de partículas que fue cancelado a mitad de su construcción en 1993 debido a un sobrecosto, una debacle con enormes costos personales y científicos para los físicos de partículas involucrados. ^{[ 17 ]}

Además de estos problemas importantes, el P5 también se enfrentó a un campo menos unificado que en 2014, como lo destacó el título del informe de Scientific American sobre los resultados de Snowmass 2021: "Los físicos luchan por unirse en torno a los planes futuros". ^{[ 15 ]} Algunos miembros del campo expresaron que la presión por proyectar una opinión unificada estaba sofocando el debate, y un físico le dijo a un reportero de Physics Today : "Hay temas importantes que la gente no discutió". ^{[ 16 ]} El presidente del panel, Hitoshi Murayama, expresó ser consciente de este problema, diciendo que "el apoyo de la comunidad es clave" para el éxito del informe del P5. ^{[ 18 ]}

La composición del P5 de 2023 se anunció en diciembre de 2022, con Hitoshi Murayama de la Universidad de California, Berkeley como presidente. ^{[ 2 ] [ 19 ] [ 20 ]}

Al igual que en 2014, los cinco miembros del P5 de 2023 eran todos físicos de partículas y aceleradores; ninguno se especializaba en gestión de proyectos. ^{[ 19 ]} Esto situó al comité en una buena posición para evaluar las respuestas al "escenario catastrófico". Sin embargo, dificultó que los miembros evaluaran si la información sobre costes y plazos proporcionada al comité tenía una base sólida. Esta falta de experiencia podría explicar por qué el P5 de 2014 no previó la crisis de costes y plazos del LBNF/DUNE, y dificultaría que el P5 de 2023 evitara un "escenario SSC".

Regina Rameika, de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, resumió el mandato del P5 ^{[ 21 ]} en una presentación ante el Panel Asesor de Física de Altas Energías el 8 de diciembre de 2022. ^{[ 22 ]} El mandato solicitaba al P5 que:

• Actualizar el plan estratégico P5 de 2014, formulando recomendaciones para la adopción de medidas en un plazo de diez años, teniendo en cuenta un contexto de veinte años.
• Reevaluar los "factores clave para la ciencia" de 2014 y los proyectos científicos recomendados, así como fundamentar científicamente las nuevas iniciativas.
• Mantener un equilibrio entre proyectos de gran envergadura y experimentos a pequeña escala. P5 no recomienda experimentos específicos, pero se le solicitó que comentara sobre el enfoque científico de dicha cartera. El énfasis en la orientación de P5 hacia los experimentos a pequeña escala fue novedoso en comparación con el mandato de P5 de 2014.
• Analizar las sinergias dentro de los programas estadounidenses y con el programa mundial.

La prioridad de los proyectos se consideró dentro de dos escenarios de financiación del Departamento de Energía (DOE) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). ^{[ 23 ]} El primero, que fue descrito por los físicos como "sombrío", preveía un aumento del 2 % anual en los presupuestos de física de altas energías para el DOE y la NSF. El segundo asumía la financiación completa de la Ley CHIPS y de Ciencia de 2022 ^{[ 24 ]} y un aumento del 3 % anual en el presupuesto para física de altas energías. Se solicitó al P5 que considerara los costos operativos, incluido el creciente costo de la energía para operar los aceleradores. ^{[ 23 ]}

A lo largo de 2023, P5 recibió aportaciones de la comunidad a través de reuniones que incluyeron charlas invitadas y charlas solicitadas en formato de "asamblea pública". Se celebraron cuatro reuniones en laboratorios nacionales. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} También se celebraron dos asambleas públicas virtuales. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Los temas de las reuniones abarcaron los objetivos de la física en toda la gama de temas definidos por el Estudio Snowmass, así como el equilibrio entre la investigación universitaria y la de laboratorio, las oportunidades para los científicos jóvenes y la necesidad de divulgación pública.

En otoño de 2023, el Panel P5 recibió aportaciones del Subpanel de Evaluación Comparativa Internacional de HEPAP, dirigido por científicos de Fermilab. ^{[ 31 ]} Este informe ^{[ 32 ]} es uno de una serie de evaluaciones de la ciencia apoyada por el DOE en un contexto internacional. En el informe se aprecian diferencias entre la física de altas energías y el resto de la comunidad física. Por ejemplo, el informe señala que las citas son una métrica deficiente para medir el impacto científico. Dos puntos del informe son especialmente relevantes para las consideraciones del P5: ^{[ 32 ]} 1) Estados Unidos debería priorizar ser un "socio de elección" y 2) Estados Unidos requiere una variedad de tamaños y objetivos de proyectos para mantener un "ecosistema científico" saludable.

El resultado principal del informe de evaluación comparativa fue que "EE. UU. no siempre es visto como un socio confiable, debido en gran parte a presupuestos impredecibles y comunicación inadecuada, y que las deficiencias en los programas nacionales [de física de altas energías] están poniendo en peligro el liderazgo de EE. UU." ^{[ 31 ]} El informe destacó que la cancelación en 1993 del Supercolisionador Superconductor y la terminación repentina en 2008 del programa de física B en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford, y el final abrupto del programa TeVatron en Fermilab seguido del desmantelamiento inmediato del acelerador han hecho que la comunidad internacional pierda la confianza en que EE. UU. completará los proyectos. ^{[ 31 ]} Sin abordar directamente el proyecto DUNE, esta recomendación señaló el impacto negativo potencial en la cooperación internacional si DUNE fuera abruptamente interrumpido por el P5.

Una segunda recomendación importante del informe de evaluación comparativa se centró en la necesidad de mantener un programa de proyectos de todas las escalas, desde pequeños hasta grandes, elegidos específicamente para mejorar áreas en las que la tecnología estadounidense está rezagada, como en la física de aceleradores . ^{[ 31 ]} Esto se hizo eco de las peticiones de la comunidad expresadas en los foros públicos del P5.

El informe P5 de 2023 identificó tres impulsores científicos, cada uno con dos enfoques experimentales:

“Descifrar el reino cuántico” a través de “Dilucidar los misterios de los neutrinos” y “Revelar los secretos del bosón de Higgs”. ^{[ 33 ]}

“Explorar nuevos paradigmas en física” a través de “la búsqueda de evidencia directa de nuevas partículas y la investigación de huellas cuánticas de nuevos fenómenos”. ^{[ 33 ]}

“Iluminar el universo oculto” a través de “Determinar[la] naturaleza de la materia oscura” y “Comprender[qué] impulsa la evolución cósmica”. ^{[ 33 ]}

Las recomendaciones que siguieron a la declaración de objetivos reflejaron las recomendaciones escuchadas durante el proceso de Snowmass y las del Panel Internacional de Evaluación Comparativa, que se han comentado anteriormente.

En particular, la Recomendación 1 declaró: “Como máxima prioridad, independientemente de los escenarios presupuestarios, [las agencias de financiación deben] completar los proyectos de construcción y apoyar las operaciones de los experimentos e investigaciones en curso para permitir la máxima ciencia”. ^{[ 33 ]} Esto refleja las preocupaciones de toda la comunidad sobre posibles cancelaciones abruptas de proyectos de física de partículas en curso, como señaló el Panel de Evaluación Comparativa. El informe P5 buscó controlar la narrativa del proyecto DUNE, que ha visto una explosión en el costo entre los informes P5 de 2014 y 2023 y ahora está rezagado con respecto al proyecto competidor HyperKamiokande que se pondrá en marcha en 2027. ^{[ 35 ]} P5 ofreció compromisos en la potencia del haz para la Fase I de DUNE y reducciones de las mejoras de la Fase II de DUNE para mantener la financiación del proyecto en el camino correcto para comenzar la toma de datos en 2031.

A pesar de los problemas con DUNE, P5 recomendó iniciar el trabajo en un nuevo megaproyecto llamado colisionador de muones. ^{[ 33 ]} Acelerar y colisionar muones para estudios de física de partículas ofrece ventajas teóricas sobre un colisionador de electrones y positrones, pero representa una nueva dirección desafiante y sin probar desde un punto de vista práctico. El informe declaró: “Aunque no sabemos si un colisionador de muones es factible en última instancia, el camino hacia él conduce desde las fortalezas y capacidades actuales de Fermilab a una serie de mejoras en el haz de protones y las instalaciones del haz de neutrinos, cada una produciendo ciencia de clase mundial mientras realiza I+D crítica para un colisionador de muones. Al final del camino está una instalación global sin parangón en suelo estadounidense. Este es nuestro Muon Shot”. ^{[ 33 ]} El costo de un colisionador de muones de 10 TeV no se estimó en el informe.

El informe ofreció un nuevo énfasis en la cosmología y la astrofísica como una rama de la física de partículas. ^{[ 33 ]} El P5 colocó el experimento CMB-S4 de $800 millones en la cima de la lista de nuevos proyectos. ^{[ 35 ]} El informe también enfatizó la importancia de la expansión planificada del observatorio de neutrinos IceCube en la Antártida, recomendando la financiación para este nuevo proyecto en cualquier escenario presupuestario.

En una recomendación con un nivel inusual de detalles sobre su implementación, P5 introdujo un nuevo programa titulado “Avance de la Ciencia y la Tecnología mediante Experimentos Ágiles” (ASTAE). ^{[ 33 ]} Esto responde a las peticiones de la comunidad para apoyar experimentos “pequeños”, que la física de partículas define como aquellos con un costo total inferior a 50 millones de dólares. A diferencia de otros programas, esta recomendación solicitaba una inversión de 35 millones de dólares anuales en ASTAE. Esta recomendación reflejó, una vez más, las preocupaciones identificadas por el Panel Internacional de Evaluación Comparativa.

La Sociedad Estadounidense de Física , el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi y el Laboratorio SLAC organizaron el respaldo de la comunidad al informe P5. ^{[ 36 ]} Al 15 de enero, el número de respaldos era de 2602 científicos estadounidenses. Entre los respaldos, el 37% eran profesores titulares o científicos de laboratorio, el 9% eran profesores no titulares o científicos de laboratorio, el 16% eran becarios postdoctorales, el 20% eran estudiantes de posgrado y el resto pertenecía a otras categorías. La distribución geográfica de los respaldos favoreció en gran medida a Illinois, sede de Fermilab, y a California, sede de SLAC.

Solo seis meses después de la publicación del informe P5 de 2023, los proyectos prioritarios primero y sexto, CMB-S4 e IceCube-Gen2, sufrieron importantes contratiempos debido a un llamado de la NSF para abordar de inmediato la necesidad urgente de actualizar la infraestructura de la Estación del Polo Sur. ^{[ 37 ]} En respuesta, la NSF detuvo la instalación de nuevos proyectos hasta finales de la década de 2020. ^{[ 38 ]} La falta de acceso a corto plazo a la infraestructura en el polo llevó a la NSF y al DOE a cancelar el proyecto conjunto CMB-S4, a pesar de la fuerte protesta del liderazgo del P5 y las apelaciones del equipo internacional de 500 personas. ^{[ 39 ]} El proyecto IceCube-Gen2, planeado para comenzar la instalación en la última parte de la década de 2020, ^{[ 40 ]} podría sufrir retrasos debido a las renovaciones de la infraestructura.