Lia Merminga: instruerer Fermilabs fremtid

Lia Merminga har netop indtaget en stor kappe i den videnskabelige verden. I april, den anerkendte accelerator fysiker overtog som direktør af Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) – et af de mest ikoniske partikelfysiske forskningscentre i verden. At nå det topjob er en monumental præstation, og Merminga reflekterer over den vej, der førte hende til at blive leder af det institut, hvor hendes rejse i acceleratorfysik først begyndte.

Da hun voksede op i sit hjemland Grækenland, hvor hun blev født i 1960, havde Merminga et barndomsbeslut om at forfølge videnskab. En af hendes tidligste inspirationer var faktisk at høre sin familie fortælle historier om sin onkel, George Dousmanis, der havde en ph.d. i fysik fra Columbia University. "Han var legendarisk i min familie," husker hun. "Jeg har et fascinerende billede af ham som kandidatstuderende med [nobelprisvindende fysikere] Leon Lederman , Tsung-Dao Lee i baggrunden." Mermingas interesse for videnskab blev yderligere forstærket af en biografi om Marie Curie, som hun læste som 13-årig, og en fremragende kvindelig fysiklærer hun havde i gymnasiet. "Jeg følte, at dette var et liv, der var værd at leve," siger hun, "at hellige sig videnskaben med et så enestående formål, fremme viden og have en enorm indflydelse på samfundet".

Efter endt skolegang fortsatte Merminga med at studere fysik på Universitetet i Athen. På sit tredje år var hendes specialevejleder professor i teoretisk partikelfysik, og Merminga besluttede, at det var den videnskabsgren, hun ville gå ind i. "Det bliver ikke mere dybtgående end det," forklarer hun, "bare at forstå de mest fundamentale bestanddele og vekselvirkninger af stof."

Hun satsede på postgraduate studier på University of Michigan Ann Arbor, USA, med det formål at studere teoretisk partikelfysik. Mermingas ansøgning lykkedes, og i 1983 flyttede hun over hele verden for at følge sine akademiske drømme.

Merminga tog kurser og lavede nogle forskningsprojekter inden for sin valgte disciplin. Men hun fandt i sidste ende ud af, at teoretisk partikelfysik ikke var så tilfredsstillende, som hun havde forestillet sig, på grund af de lange tidsskalaer mellem at udvikle en teori og være i stand til at teste den eksperimentelt. Efter at have lært om en kandidatuddannelse i acceleratorvidenskab på Fermilab, besøgte hun forskningsinstituttet for første gang. Dette viste sig at være et afgørende øjeblik i hendes karriere.

Accelererende videnskab

Partikelacceleratorer driver stråler af ladede partikler – fra protoner og elektroner til ioner – med meget høje hastigheder, tæt på lysets. Acceleratorvidenskaben fokuserer på at designe, betjene og optimere disse enorme maskiner for at muliggøre partikelfysik og mange andre videnskabelige områder. Forskere arbejder konstant på at forbedre vores evne til at styre og dirigere stråler i stedet for blot at se på resultatet af kollisioner.

"Tidsskalaerne for disse eksperimenter er meget kortere end i partikelfysik," forklarer Merminga. "Det tiltalte mig. Jeg kunne udvikle teorier og teste dem og få mere umiddelbare resultater." Så hun sluttede sig til ph.d.-programmet på Fermilab og arbejdede på Tevatron – verdens højeste energikolliderer på det tidspunkt.

For at optimere kollisioner er det vigtigt at være i stand til at forudsige og kontrollere strålen af ​​partikler i kollideretunnelen, især i nærvær af ikke-velstuderede ikke-lineære effekter. Til sit ph.d.-projekt brugte Merminga teoretiske formalismer og eksperimentelle data fra Tevatron til at studere, hvordan stråledynamikken reagerede på det magnetiske system, der blev brugt til at styre og fokusere det, især hvor ikke-linearitet blev en nøglebegrænsende faktor for ydeevne. Hendes arbejde informerede designet af Superconducting Super Collider, som var under planlægning på det tidspunkt.

Efter at have afsluttet sin ph.d. - da hun kun blev den anden studerende, der dimitterede fra det specifikke program på det tidspunkt - gik Merminga på arbejde på Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Siden da har hun brugt en karriere på at blive ekspert inden for flere områder af acceleratorvidenskab. Faktisk har hun haft flere lederroller, herunder chef for acceleratordivisionen på TRIUMF, Canadas partikelacceleratorcenter.

Projektprioriteter

Mens Merminga gjorde fremskridt i sin karriere, ændrede Fermilab sig også. I 2011, efter næsten 30 år med kolliderende protoner og antiprotoner, blev Tevatron lukket ned. Dette markerede et markant skift i laboratoriets fokus væk fra højenergieksperimenter. En del af rationalet bag denne ændring kom fra partikelfysikkens internationale karakter – da intet enkelt land har kapacitet til at udføre alle eksperimenterne, giver det mening for de store forskningsfaciliteter at undersøge forskellige områder.

Af 2011, CERN's Large Hadron Collider var oppe at køre med højere energier end Tevatronen; så Fermilab så muligheden for i stedet at gå forrest i højintensive eksperimenter. Sidstnævnte er særligt vigtige for at studere neutrinoer; disse små partikler har ekstremt lave interaktionshastigheder, så for at observere sådanne begivenheder er det vigtigt at generere enorme mængder af dem.

I 2015, for at støtte nye eksperimenter, begyndte Fermilab at bygge Protonforbedringsplan-II (PIP-II), og Merminga vendte tilbage til hende Alma Mater at lede projektet. PIP-II er en 215 m lang lineær accelerator, der vil fungere som hjertet i Fermilabs nye acceleratorkompleks og bidrage til flere nye eksperimenter. Et af PIP-II's hovedmål er at skabe den mest intense stråle af neutrinoer i verden ved at sende dens intense protonstråle ind i et grafitmål. Disse neutrinoer vil blive sendt gennem de to Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) detektorer, som i øjeblikket er under konstruktion – den ene ved Fermilab og den anden 1300 km væk i South Dakota.

Grunden til at være placeret så langt væk er, at neutrinoer kommer i tre "smag" - elektron, muon og tau - og de udviser den mærkelige adfærd ved at "svinge" mellem disse typer, mens de rejser. Den store afstand mellem de to detektorer øger deres følsomhed over for disse svingninger, hvor denne adfærd potentielt har dybtgående konsekvenser for hele universet. Fysikere mener, at der kan være forskel på den måde, neutrinoer og antineutrinoer svinger mellem deres smag, hvilket ville indikere en krænkelse af stof-antistof-symmetri (C-P-overtrædelse) og fysik ud over standardmodellen. En sådan forskel kan endda være nøglen til, hvorfor der er mere stof end antistof i universet – en afgørende betingelse for vores egen eksistens.

Jeg ville elske at se DUNE nå det endegyldige svar på neutrinoscillationer og C–P krænkelse så hurtigt som muligt, fordi det er relateret til stof-antistof asymmetri, og hvorfor vi overhovedet er her

Lia Merminga

Så Merminga håber, at neutrinoundersøgelserne drevet af PIP-II vil kaste lys over dette store spørgsmål. "Jeg ville elske at se DUNE nå frem til det endegyldige svar på neutrinoscillationer og C-P krænkelse så hurtigt som muligt," siger hun, "fordi det er relateret til stof-antistof asymmetri, og hvorfor vi overhovedet er her."

Merminga er også begejstret for den tilhørende teknologi, såsom superledende radiofrekvensteknologi (SRF) – hvor Fermilab er førende i verden – og hun er spændt på at se, hvor langt instituttet kan rykke grænserne der. SRF forbedrer acceleratorens ydeevne ved at undgå det energitab, der normalt opstår gennem modstand mod strømme i acceleratorvæggene. PIP-II's strukturer vil blive lavet af superledende niobium og afkølet til 2 K for at drage fordel af denne egenskab.

Nu hvor hun er direktør for Fermilab som helhed, snarere end for PIP-II specifikt, vil Merminga ikke være helt så tæt involveret i det, som hun var før, men hun har til hensigt at følge med i udviklingen og forbliver passioneret omkring projektet . "Når det er færdigt, vil det blive brugt i yderligere 50 år af generationer, der kommer efter mig," siger hun. "Det er stærkt at bidrage til noget af varig værdi."

Trailblazer

Mens den videnskabelige viden har udviklet sig, har verden omkring den også gjort fremskridt. Måske er det faktum, at Fermilab bliver ledet af en kvinde for første gang, et vidnesbyrd om disse ændringer. Personligt føler Merminga ikke, at hendes køn har været en hindring i hendes karriere, og hun understreger kraften i teknisk kunnen.

"Når jeg er den eneste kvinde i et værelse," forklarer hun, "hvis jeg giver de rigtige svar eller har den rigtige indsigt, vil de holde op med at tænke på mig som en kvinde og fokusere på det, jeg bidrager med. Det er sådan, jeg har håndteret det her i min karriere. Vær meget god til det, du laver, og de bliver nødt til at lytte til dig før eller siden." Ikke desto mindre mener hun, at underrepræsentationen af ​​kvinder i fysik skal ændres, og tilføjer, at teams er meget mere virkningsfulde og effektive, når de har flere forskellige perspektiver at trække på.

Merminga tilskriver meget af sin selvtillid, at hun har gået på en skole, der udelukkende består af piger, og bemærker, at drenge nogle gange kan være mere selvsikre. "Indtil jeg var 18, var jeg i et miljø, der var lidt beskyttet," siger hun. "Det hjalp mig med at opbygge tillid til mig selv. Da jeg gik på universitetet, var kun 10 % af de studerende kvinder, men på det tidspunkt havde jeg opbygget selvtillid nok til, at det ikke gjorde noget.”

Merminga mener derfor, at fysikprogrammer kun for piger kan hjælpe piger til at føle sig mere bemyndigede til at studere emnet. Men hun siger, at vi har brug for en flerstrenget løsning, der også adresserer de praktiske problemer, folk står over for gennem deres karriere. Fermilab har for eksempel dagtilbud på stedet, der gør det lettere for forældre at fokusere på deres job.

En anden væsentlig faktor er naturligvis at øge synligheden af ​​kvinder i faget. Merminga bemærker, at dette var nyttigt for hende, da hun var blevet inspireret af sin kvindelige fysiklærer, da hun gik i skole, og senere af Helen Edwards, den ledende fysiker i konstruktionen af ​​Tevatron. "At se nogen i aktion er meget kraftfuldt," siger hun.

Heldigvis er dette forbedret yderligere i de senere år. Siden 2016, den eksperimentelle partikelfysiker Fabiola Gianotti har været generaldirektør for CERN, også den første kvinde, der havde den stilling. Da Merminga overtager roret hos Fermilab, er to af de højest profilerede job inden for fysik nu besat af kvinder. Så selvom der stadig er arbejde at gøre, føles dette som en væsentlig milepæl.

Formulering af fremtiden

Selvom Merminga før har ledet store projekter og programmer, er det en ny udfordring for hende at lede et så stort institut som Fermilab, da den større skala betyder øget kompleksitet. Men hun mener, at de grundlæggende principper for ledelse og ledelse af en stor videnskabelig enhed forbliver de samme.

"Det er vigtigt at have en klar vision," siger hun, "og at være i stand til at formulere den til enhver medarbejder; at have en plan for at realisere den vision; og at holde mig selv og alle andre ansvarlige for at levere på det."

Så hvad er Mermingas vision for Fermilab? Det er noget, hun stadig er i gang med at formulere, efter først at have overtaget, og hun er ivrig efter at overveje en masse perspektiver. En af de første handlinger, hun tog i april, var at tage på en "lyttetur", for at høre fra laboratoriemedarbejdere og Fermilabs brugerfællesskab. Mens detaljerne stadig er i værkerne, beskriver hun de brede streger i hendes ambition for Fermilab er, at det skal "lede verden inden for partikelfysik og acceleratorvidenskab, teknologi og innovation, understøttet af en mangfoldig arbejdsstyrke i verdensklasse; ved fremragende og robuste operationer og forretningssystemer; ved en bæredygtig campusstrategi integreret med vores mission; og ved at varige og muliggøre partnerskaber, regionale, nationale og internationale."

Når hun reflekterer over sin karriere, siger hun, at hun har mange følelser for at blive direktør for det institut, hvor hun først startede med acceleratorvidenskab. "Jeg vil opsummere det med to ord: dyb taknemmelighed," siger hun. ”Jeg var meget privilegeret at være her som kandidatstuderende, lave eksperimenter med nogle af verdens bedste fysikere og med den mest avancerede kollider, der eksisterede på det tidspunkt. Hvor heldig kan man være? Digtet 'Ithaca' af den græske digter Konstantin Cavafys kommer til at tænke på. Han skriver 'Ithaca gav dig den vidunderlige rejse.'” Måske inspirerer dette til en mere personlig side af hendes mission som direktør, da hun understreger, at hun nu ønsker at give andre unge forskere lignende muligheder. Og ud over at betale det videre, ønsker hun at hædre arven fra tidligere generationer af fysikere og de tidligere direktører for Fermilab.

Jeg føler ansvar og taknemmelighed og en masse optimisme over, at vi kan fortsætte denne bane

Lia Merminga

Når man ser tilbage, virker det serendipitalt, at en af ​​disse tidligere instruktører, Leon Lederman, er i baggrunden på billedet, der forestiller Mermingas onkel. "Vi står på skuldrene af giganter," siger hun. "Jeg føler dette store ansvar for at fortsætte traditionen med, at Fermilab er denne store institution, der er anerkendt over hele verden for innovation og banebrydende opdagelser. Jeg føler ansvar og taknemmelighed og en masse optimisme over, at vi kan fortsætte denne bane.”