Pubblicato il rapporto P5 sul futuro della fisica delle particelle negli USA

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 A.Bettini    30-01-2024     Leggi in PDF
Illustrazione 3D per il Rapporto P5 2023: Esplorando l'Universo Quantistico / 3D illustration for the 2023 P5 Report: Exploring the Quantum Universe (Credit: Olena Shmahalo)

L'8 dicembre scorso è stato pubblicato un rapporto sulla pianificazione decennale della fisica delle particelle elementari negli USA elaborato dal "Particle Physics Project Prioritization Panel" (P5).

L'organo consultivo per la fisica delle alte energie (HEP) del Governo USA, in particolare dell'Office of Science del Department of Energy (DOE), è dal 1967 il "High Energy Physics Advisory Panel" (HEPAP), che serve anche la National Science Foundation (NSF) che co-finanzia questa ricerca. HEPAP ha istituito nel 2013 un "subpanel" ad hoc, il P5. Il precedente rapporto, P5 2014, a suo tempo segnalato su SIF Prima Pagina, ha avuto notevole importanza nel veicolare in forma strutturata al Governo e al Parlamento statunitensi le idee della comunità sulle linee portanti per il futuro della disciplina.

Nel novembre 2022 il DOE e la NSF nominarono un nuovo P5 con l'incarico, analogo al precedente, di sviluppare un piano strategico decennale per la fisica delle particelle nel contesto di una strategia globale ventennale. È utile menzionare che il finanziamento annuo complessivo USA per la fisica delle alte energie è di non molto superiore al miliardo di dollari (quello del DOE nell'anno fiscale 2023 – come approvato dal Congresso in misura molto maggiore rispetto alla proposta di Biden – è pari a 1 166 M$, quello della NSF è molto inferiore), che, per confronto, è un po' inferiore al bilancio del CERN. Il Panel P5 ha lavorato utilizzando i risultati di un evento organizzato a Snowmass (CO) nel 2021 dalla Division of Particles and Fields dell'American Physical Society (APS) chiamato "Community Planning Exercise", oltre a riunioni, visite a laboratori, interviste organizzate allo scopo, in diverse ipotesi di finanziamento.

La prima priorità individuata da P5, in qualsiasi scenario di bilancio, è, ovviamente, lo sfruttamento completo degli esperimenti e infrastrutture esistenti o già approvati.

Tra quelli esistenti si citano gli esperimenti al Fermilab, l'osservatorio di neutrini al Polo Sud IceCube (quelli di onde gravitazionali, LIGO, non sono qui considerati in quanto finanziati dalla NSF in un capitolo dedicato), il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) a Kit Peak e le partecipazioni agli esperimenti di LHC al CERN, BelleII e T2K in Giappone e le ricerche di materia oscura, tra cui DarkSide-20k e XENONnT ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italia (il decadimento doppio beta e la ricerca sul neutrino di Majorana negli USA sono nel programma di fisica nucleare).

I programmi già approvati includono invece: High-Luminosity LHC (HL-LHC) al CERN, programmato per entrare in funzione nel 2029; DUNE, l'esperimento sulle oscillazioni di neutrini a lunga base con fascio prodotto al Fermilab e rivelatore TPC ad Ar liquido (tecnologia originata da Carlo Rubbia e sviluppata dall'INFN) nel laboratorio sotterraneo SURF; PIP-II (Proton Improvement Plan II), sostanzialmente per DUNE, che consiste nel potenziamento del sistema di acceleratori del Fermilab per produrre un fascio di neutrini di alta intensità con oltre 1 MW di potenza del fascio di protoni sul bersaglio. Infine, il Vera C. Rubin Observatory, precedentemente noto come Large Synoptic Survay Telescope (LSST), progetto per osservare nel visibile l'intera volta celeste nell’emisfero australe, in costruzione al Cerro Pachón a 2682 m s.l.m. in Cile. Il progetto, di astrofisica e astronomia, ha origini storiche nel suo predecessore "Sloan Digital Sky Survay" (SDSS), operativo dal 2000 nel nostro emisfero, sotto la direzione di John Peoples, e in cui il Fermilab è stato determinante per le sue capacità di trattare l’enorme quantità di dati che si raccolgono.

Inoltre, il rapporto raccomanda, a seguito della richiesta di aumento dei finanziamenti federali, un insieme di nuovi progetti che comprendono il Cosmic Microwave Background Stage IV experiment (CMB-S4) al Polo Sud e una "Higgs factory", in Europa o in Giappone. Con quest'ultimo si intende un collisore elettrone positrone di alta luminosità e di energia sufficiente a produrre il bosone di Higgs, per studiarne le proprietà con alta precisione. Sono allo studio sia in Europa sia in Giappone, e non solo, diverse soluzioni sia con macchine circolari sia lineari.

Vengono infine raccomandati progetti, ai quali posso solo accennare, di piccola e media scala e di ricerca e sviluppo per acceleratori di prossima generazione e di più alta energia.


The P5 report on the future of particle physics in the USA is now published

Last December 8, a report was published on the ten-year planning of elementary particle physics in the USA drawn up by the "Particle Physics Project Prioritization Panel" (P5).

The advisory body for high energy physics (HEP) of the US Government, in particular of the Office of Science of the Department of Energy (DOE), is, since 1967, the "High Energy Physics Advisory Panel" (HEPAP), which it is also advisory body to the National Science Foundation (NSF), which co-funds this research. HEPAP established P5 as an ad hoc “subpanel” in 2013. The previous report, P5 2014, at the time reported in SIF Prima Pagina, had considerable importance in conveying the community's ideas on the guidelines for the future of the discipline, in a structured way, to the Government and Parliament.

In November 2022, DOE and NSF appointed a new P5 with the similar mandate of developing a 10-year strategic plan for particle physics in the context of a 20-year global strategy. It is useful to mention that the total annual US funding for HEP is not too much over $1 billion (the DOE's funding in fiscal year 2023 – as approved by the Congress to a much greater level than the Biden proposal – is 1 166 M$, the NSF budget is much smaller), which, for comparison, is a little less than the budget of CERN.

P5 worked using the results of an event organized in Snowmass (CO) in 2021 by the Division of Particles and Fields of the APS called "Community Planning Exercise", as well as meetings, visits to laboratories, interviews organized for this purpose, all in different hypotheses of financing.

The first priority identified by P5, in any budget scenario, is, of course, the full exploitation of existing or already approved experiments and infrastructure.

Among the existing ones the report mentions the experiments at Fermilab, the IceCube neutrino observatory at the South Pole (the gravitational wave ones, LIGO, are not considered here as they are financed separately by NSF), the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) in Kit Peak and the participation in LHC experiments at CERN, in BelleII and T2K in Japan and in dark matter research, including DarkSide-20k and XENONnT at the Gran Sasso National Laboratories (LNGS) in Italy (double beta decay and research on the Majorana neutrino in the USA are in the nuclear physics programme).

Programmes already approved include: High-Luminosity LHC (HL-LHC) at CERN, scheduled to come online in 2029; DUNE, the experiment on long-baseline neutrino oscillations with a beam produced at Fermilab and a liquid Ar TPC detector (technology originated by C. Rubbia and developed by the INFN) in the SURF underground laboratory; PIP-II (Proton Improvement Plan II), essentially for DUNE, which consists of upgrading Fermilab's accelerator system to produce a high-intensity neutrino beam with over 1 MW of proton beam power on the target. Finally, the Vera C. Rubin Observatory, previously known as the Large Synoptic Survay Telescope (LSST), a project to observe the entire celestial vault in the southern hemisphere in the visible light, under construction at Cerro Pachón at 2682 m above sea level in Chile. This astrophysics and astronomy project has historical origins in its predecessor "Sloan Digital Sky Survay" (SDSS), operational since 2000 in our hemisphere, under the direction of John Peoples, in which Fermilab was instrumental in its capability to deal with the enormous amount of data that is collected.

The report also recommends, depending on a requested increased federal funding, a suite of new projects that include the Cosmic Microwave Background Stage IV experiment (CMB-S4) at the South Pole and a “Higgs factory,” in Europe or Japan. By this it is meant an electron positron collider of high luminosity and sufficient energy to produce the Higgs boson, to study its properties with high precision. Various solutions are being studied both in Europe and in Japan, and beyond, with both circular and linear machines.

Finally, small and medium-scale projects and research and development activity for next generation and higher energy accelerators are recommended, which I can only mention.


Alessandro Bettini – Professore emerito presso l'Università di Padova, fisico sperimentale di particelle elementari, ha condotto e diretto esperimenti al CERN e LNGS. È autore di più di 200 pubblicazioni scientifiche e di volumi di fisica generale e particelle elementari e per il pubblico. È socio dell'Accademia Galileiana di Scienze Lettere e Arti, della SIF, di cui è stato vicepresidente, e fellow dell'EPS.
Professor emeritus at Padua University and experimental physicist in elementary particle physics, he has performed and led experiments at CERN and LNGS. He is the author of more than 200 scientific publications and of volumes in General Physics and Elementary Particles for the general public. He is a member of the Accademia Galileiana di Scienze Lettere e Arti, of the SIF, of which he has been the vice-president, and fellow of the EPS.