在过去几十年的密集实验和理论研究中，粒子物理学家开始依靠标准模型来描述最小尺度和最高能量的现象。这种高度预测性的、相对论的自发破碎规范场理论为一系列发现指明了道路，包括W和Z玻色子、胶子以及魅力和顶夸克的发现。在每个点上，它都为我们提供了一个近似的质量尺度或能量范围来探索，这告诉我们需要建造什么样的设施来观察预测的现象。最后，在2012年，它最引人注目的预测 - 希格斯粒子的存在与负责电弱对称性破坏的明显基本标量场相关 - 得到了证实。然而，粒子物理学中有一些我们不知道答案的大问题。

费米实验室

自1982年以来，每隔七到十年，美国的高能物理学家就会进行一次社区规划活动，以确定未来二十年最重要的问题以及解决这些问题所需的设施，基础设施和研发。多年来，这些努力由美国物理学会（APS）粒子和场部（DPF）赞助，包括来自其他国家和相关领域的科学家，在科罗拉多州斯诺马斯举办了夏季研讨会。规划工作的重点是科学问题，而确定项目优先级是由美国能源部（DOE）和国家科学基金会（NSF）负责的粒子物理项目优先级小组“P5”的任务。

最新研究“Snowmass 2021”（欧洲核子研究中心信使2022 年 1 月/2 月，第 43 页）原定于 2021 年 7 月结束，但由于 COVID-19 大流行而不得不推迟。尽管面临挑战，我们的社区还是完成了惊人的工作。所有白皮书、研讨会、讲习班和其他材料的最终讨论和综合于 2022 年 7 月 17 日至 26 日在西雅图华盛顿大学举行。在会议结束时，Murayama仁（加州大学伯克利分校和东京大学）被任命为新的P5小组的主席，该小组将听取Snowmass 2021的意见。

美国上一次社区规划活动是在2013年举行的。随后的P5报告将确定的问题综合为五个物理驱动因素：使用希格斯玻色子作为发现的工具;追求与中微子质量相关的物理学;确定暗物质的新物理学;了解宇宙加速度;探索未知。它还提出了29项面向项目的建议。被列为最优先的两个项目是参与高亮度大型强子对撞机以及ATLAS和CMS实验;以及LBNF/DUNE长基线中微子实验的建设，该实验将检测费米实验室产生的中微子在1300公里外南达科他州霍姆斯特克矿的大型地下探测器中相互作用。

铌锡四极杆磁铁在劳伦斯伯克利国家实验室建造和测试

自上次斯诺马斯/五常演习以来近十年，建议的实验计划的一些要素已经收集了数据，并成功地突破了我们知识的界限。但是，尽管有一些暗示，它们尚未产生为我们指明特定方向的结果。Snowmass 2021 再次确认了物理驱动因素的相关性，并增加了第六个建议：风味物理学作为发现工具。具体来说，我们不明白为什么存在三代物质粒子，也不明白它们所表现出的质量模式的起源。我们不知道为什么夸克和轻子混合矩阵如此不同，或者中微子扇区

自上次斯诺马斯/五常演习以来近十年，建议的实验计划的一些要素已经收集了数据，并成功地突破了我们知识的界限。但是，尽管有一些暗示，它们尚未产生为我们指明特定方向的结果。Snowmass 2021 再次确认了物理驱动因素的相关性，并增加了第六个建议：风味物理学作为发现工具。具体来说，我们不明白为什么存在三代物质粒子，也不明白它们所表现出的质量模式的起源。我们不知道为什么夸克和轻子混合矩阵如此不同，或者中微子扇区是否存在CP违反，以及它与观测到的宇宙物质 - 反物质不对称性有何关系。目前，有一些诱人的新粒子和相互作用的暗示可以解释B介子的弱衰变和μ介子的异常磁矩中的各种异常。根据不久的将来带来的情况，可能需要专门的下一代风味实验，并可能在寻求超越标准模型的物理学方面发挥关键作用。

Snowmass 2021 分为 10 个工作组或“前沿”：加速器、宇宙、社区参与、计算、能源、仪器、中微子、稀有过程和精密测量、理论以及地下设施和基础设施。每个前沿领域将其工作分为几个主题组，同时考虑到2020年欧洲粒子物理学战略和其他国际研究更新的意见。编制了500多份新的白皮书。一个早期职业组织协助年轻物理学家为斯诺马斯进程做出贡献，并鼓励国际参与，包括Fabiola Gianoti（CERN），Masanori Yamauchi（KEK）和Yifang Wang（IHEP）在内的国际研究所和实验室的领导人在西雅图研讨会的特别全体会议上发表演讲。在描述美国计划时，费米实验室主任Lia Merminga强调了国际合作的重要性，并引用了美国与欧洲核子研究中心之间的密切关系。

人们普遍认为，一个成功的未来计划应该包括物理主题、实验规模和时间表的健康广度和平衡，并通过一个专门的、强有力的和持续的资助过程提供支持。完成现有实验并执行DUNE和HL-LHC计划对于在短期内解决科学驱动因素至关重要。需要对形式理论、现象学和计算理论的有力和持续的支持，以及将理论与实验联系起来的更强大、更有针对性的努力。针对特定未来项目的研发和通用研究都需要在加速器、仪器/探测器和计算等关键使能技术以及量子科学和机器学习等新技术中得到支持。最后，需要采取协调一致的战略方法来促进多样性、公平性和包容性，并改善外联和参与。

在 2021 年斯诺马斯大会上讨论了一系列想法。在这里，在10个前沿的背景下，我们列出了一些拟议在未来二十年内实施或至少开始的大型项目和计划，以及一些关于使能技术和基础设施的重要结论，并免责声明，随着最终的斯诺马斯前沿报告的撰写，这些可能会发生变化。

宇宙边疆

宇宙前沿的重点是理解基础物理学如何塑造宇宙的行为，特别是关于暗物质（DM）和暗能量的性质。DM模型的空间包括一系列令人眼花缭乱的可能性，代表了质量和耦合的许多数量级，使DM计划成为高能和粒子物理学中最跨学科的研究之一。宇宙前沿DM计划将通过对与地球上的目标相互作用或在加速器上产生的WIMP进行一系列直接搜索，间接搜索DM湮灭产物和基于宇宙结构分析的探测器来“深入研究，广泛搜索”。一个互补的推动力是建造下一代宇宙学探测器。该领域的下一个大项目是CMB-S4，这是一个研究宇宙微波背景并解决宇宙暴胀之谜的望远镜系统，预计将至少运行到2036年（CERN CourierMarch / April 2022 p34）。将在2029年之后启动的其他项目包括Spec-S5（DESI的后续光谱设备），一个进行线强度测绘（LIM）的项目，以及计划将重力波检测的灵敏度提高至少10倍（103在敏感体积）超出了LIGO/Virgo将要实现的目标。

能源前沿

能源前沿的近期目标是执行2014年P5建议，以完成HL-LHC升级并执行其物理计划。拟议方案的一个新方面是出现了各种辅助实验，例如FASER（操作）和MATHULSA（拟议），它们可以利用现有的大型强子对撞机相互作用区域来探索远方区域的发现空间的一部分。这些探测器在成本和复杂性方面都是中等规模的探测器，为HL-LHC提供了额外的创新空间。能源前沿支撑全球环境建设+–希格斯工厂尽快。线性对撞机或圆形对撞机都可以提供必要的灵敏度，并且需要立即为希格斯工厂制定定向探测器和加速器研发计划，以使美国能够参与。为了确保该领域的长期生存能力，能源前沿希望与全球合作伙伴合作，开始加速器和探测器研发10 TeVμ介子对撞机或100 TeV规模的强子对撞机。最后，美国能源前沿社区重新表达了兴趣和雄心，即为可能位于美国的能源前沿对撞机开发选项，特别是+–希格斯工厂或μ介子对撞机，同时保持其国际合作伙伴关系和义务，例如，CERN未来对撞机研发项目。

中微子前沿

什么是中微子质量？中微子是他们自己的反粒子吗？群众是如何有序的？中微子质量和味道的起源是什么？中微子和反中微子振荡不同吗？是否有新的粒子和相互作用可以被发现？这些是中微子前沿阐述的有趣问题之一。DUNE研发计划由美国和欧洲大型液氩探测器的发展推动，特别是通过CERN中微子平台，证明了该技术的力量和可行性。继2030年DUNE第一阶段完成后，DUNE第二阶段是中微子社区2030-2040年最优先的项目。第二阶段项目有三个组成部分：更换费米实验室8 GeV助推器，向DUNE目标提供2.4兆瓦的功率，并可能为其他实验提供光束;在霍姆斯特克建造额外的20 kT（基准点）远距离探测器;以及费米实验室的全能近探测器复合体，除了执行自己的丰富物理程序外，还可以非常精确地控制远探测器测量的系统不确定性。DUNE将对中微子振荡进行明确的研究，测试三味范式，寻找新的中微子相互作用，并将解决质量层次问题，并希望观察到CP违规。中微子物理学还有许多其他方面值得研究，包括绝对质量，寻找无中微子双β衰变（这与中微子是狄拉克还是马约拉纳费米子的问题有关），横截面的测量，以及寻找无菌中微子。其中一些将成为美国中微子计划的一部分，要么以美国为基础，要么通过海外合作。

罕见的工艺和精密测量

罕见的过程和精密测量前沿目前正在费米实验室进行两个中型美国项目，该项目于2014年获得P5的认可：μ介子g 2实验，该实验产生了令人兴奋的结果，并将至少继续获取数据几年;以及正在建设中的Mu2e实验。该计划还通过支持日本的Belle II实验和CERN的LHCb，在风味物理学方面进行了重要投资。未来几年的优先事项是完成g 2，开始使用Mu2e获取数据，并继续在Belle II和LHCb合作，包括参与未来的升级。展望未来，中心主题是了解夸克和轻子的味道及其违规测量，以及在固定目标质子和电子实验中寻找从亚MeV到几GeV的质量范围内的暗物质产生。有人提议在费米实验室的一个先进的μ介子设施中研究μ介子科学，这将大大改善在μ eγ，μN eN和μ 3e衰变中寻找轻子味违规。这将需要具有独特特性的强质子束和累加器环来管理具有不同能量和时间分布的μ介子束的产生。

理论前沿

理论粒子物理学旨在提供对物质，能量，空间和时间的预测数学描述，综合我们对宇宙的知识，分析和解释现有的实验结果，并激发未来的实验研究。理论将粒子物理学与其他领域（例如引力和宇宙学）联系起来，并扩展了我们理解的边界（例如量子信息）。基础，现象学和计算理论共同构成了一个充满活力的生态系统，其健康对美国高能物理计划的各个方面都至关重要。理论前沿建议，除其他外，加强对广泛研究计划的支持，作为平衡投资组合的一部分，并强调将理论与实验联系起来的有针对性的举措。

加速器前沿

加速器前沿与能量前沿有许多交叉点，旨在为下一代基于加速器的主要粒子物理项目做准备，以探索能量、中微子和稀有过程和精度前沿。在短期内，DUNE第二阶段需要对费米实验室质子加速器复合体进行多兆瓦光束功率升级。需要研究以了解费米实验室加速器复合体还需要满足哪些其他要求，如果相同的升级用于相关的稀有衰变和精密实验。在能源前沿，全球共识+–希格斯工厂作为下一个对撞机已被再次确认。虽然某些选项（例如国际线性对撞机）具有成熟的设计，但其他选项（例如FCC-ee，C3，HELEN和CLIC）需要进一步的研发，以了解它们是否可行。为了进一步探索能量前沿，将需要非常高能量的圆形强子对撞机或多TeVμ介子对撞机，这两者都需要大量研究，以确定在2040年或以后的十年内是否可行。建议美国建立未来对撞机的国家综合研发计划，对未来对撞机概念进行技术研发和加速器设计研究。由于这种规模的机器需要国际合作，美国的研发计划必须与国际努力保持一致。同时正在考虑的是新的加速技术，如尾流场加速度和ERL，以及拟议的研发计划，这些计划可以表明它们将如何为未来对撞机的设计做出贡献。

计算前沿

软件和计算对于所有高能物理实验和许多理论研究都是必不可少的。然而，计算已经进入了一个新的“后摩尔定律”阶段。处理速度的提高现在来自使用商业领域开发的GPU和FPGA等异构资源，这对我们开发和维护软件的方式产生了重大影响。我们也开始依赖社区硬件资源，如高性能计算中心和云，而不是专门的实验资源。最后，新的机器学习方法正在改变我们的工作方式。这种新的计算环境需要新的方法来解决基本软件包的长期开发、维护和用户支持以及跨领域的研发工作。此外，需要对软件和计算研究人员的职业发展进行大力投资，以确保未来的成功。因此，计算前沿建议在APS DPF的主持下建立一个软件和计算常设协调小组，以反映2012年成立的高级探测器协调小组。

仪器仪表前沿

改进的仪器是中微子物理学、对撞机物理学以及宇宙和稀有过程前沿物理学进步的关键。现在处于探测器开发前沿的许多方面在10年前几乎不存在，包括量子传感器，机器学习和精确计时。然而，美国仪器设备的资金实际上正在下降。振兴仪器工作的关键要素包括：发展和维持足够庞大和多样化的工作人员队伍的方案，包括大学和国家实验室的物理学家、工程师和技术人员;在未来五年内将美国探测器研发预算翻一番，并修改资助模式以实现研发联盟;扩大和维持对创新探测器研发的支持，并为此类探路工作建立单独的审查程序;发展和维护关键设施、中心和能力，以分享知识和工具。

地下边界

地下实验涉及粒子物理学的一些最重要的领域，包括寻找暗物质，中微子物理学（包括无中微子双β衰变和大气中微子），宇宙射线物理学和寻找质子衰变。地下前沿得出的结论是，未来的实验及其使能研发需要比目前计划更多的空间。他们提议在SURF / Homestake的4850英尺深度增加地下空间，并在7400英尺的深度增加额外的空间。这些将为开发新实验开辟空间，并将为SURF提供机会进行下一代暗物质或无中微子双β衰变实验。

社区参与

社区参与前沿集中在七个领域：与行业的互动;职业管道和发展;多样性、公平性和包容性;物理教育;公共教育和外联;公共政策和政府参与;以及环境和社会影响。将这一系列广泛的问题作为“前沿”是 Snowmass 2021 的一个新颖方面，并导致制定了许多提案供整个社区考虑和实施。这些问题影响到所有前沿成功完成其工作的能力，有些问题，例如需要扩大代表性，也受到其他前沿的强调。虽然许多建议直接适用于DOE和NSF计划，并且可以由P5考虑，但许多其他建议是针对整个HEP社区的。我们DPF正在考虑如何最好地与政府机构，APS和其他团体一起解决这些问题。

前方激动人心的道路

自西雅图研讨会以来近三个月，各个前沿报告现在几乎全部完成，综合结果的过程已经开始。一个重要的主题是坚持上届五常批准的计划，希望自那时以来出现的暗示和异常将为标准模型以外的物理学提供一些指导。第二个主题是，在没有具体目标的情况下，我们将不得不规划一个非常多样化的实验、理论研究以及机器和探测器研发计划，在其中我们广泛探索巨大的可能性空间。在所有情况下，都需要全球努力，并且正在考虑确保美国能够发挥适当的作用。

我们相信，美国高能物理学界的成员在离开西雅图研讨会时，对每个前沿领域存在的巨大机会、前沿之间的相互联系以及与世界其他地区计划的联系表示赞赏。我们希望我们的报告将帮助五常提出建议，我们可以像2014年那样团结起来。事实证明，这是使公众和决策者相信我们开展了一个严格的进程并达成了值得他们支持的共识的有效步骤。