Lia Merminga ist gerade der siebte Direktor des Fermi National Accelerator Laboratory in den USA geworden. Sie spricht mit Laura Hiscott über Beschleunigerforschung, die Zukunft der Teilchenphysik und darüber, dass sie die erste Frau ist, die dieses ikonische und einflussreiche Forschungszentrum leitet
Lia Merminga hat gerade einen wichtigen Platz in der wissenschaftlichen Welt eingenommen. Im April der renommierte Beschleunigerphysiker übernahm die Leitung dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Nationales Beschleunigerlabor von Fermi (Fermilab) – eines der bekanntesten Forschungszentren für Teilchenphysik der Welt. Die Erlangung dieses Spitzenpostens ist eine monumentale Leistung, und Merminga denkt über den Weg nach, der sie zur Leiterin des Instituts geführt hat, an dem ihre Reise in die Beschleunigerphysik begann.
Merminga wuchs in ihrem Heimatland Griechenland auf, wo sie 1960 geboren wurde, und hatte als Kind den Vorsatz, sich der Wissenschaft zu widmen. Tatsächlich war es eine ihrer frühesten Inspirationen, zu hören, wie ihre Familie Geschichten über ihren Onkel George Dousmanis erzählte, der einen Doktortitel in Physik hatte Columbia University. „Er war in meiner Familie legendär“, erinnert sie sich. „Ich habe ein faszinierendes Foto von ihm als Doktorand mit [Nobelpreis-gekrönten Physikern] Leon Ledermann und Tsung-Dao Lee im Hintergrund." Mermingas Interesse an der Wissenschaft wurde durch eine Biographie von weiter geweckt Marie Curie, das sie im Alter von 13 Jahren las, und eine ausgezeichnete Physiklehrerin, die sie in der weiterführenden Schule hatte. „Ich hatte das Gefühl, dass dies ein lebenswertes Leben war“, sagt sie, „sich der Wissenschaft mit einem so einzigartigen Ziel zu widmen, Wissen zu fördern und einen großen Einfluss auf die Gesellschaft zu haben.“
Nach Abschluss der Schule studierte Merminga Physik Universität Athen. In ihrem dritten Jahr war ihr Betreuer eine Professorin für theoretische Teilchenphysik, und Merminga entschied, dass dies der Wissenschaftszweig war, in den sie einsteigen wollte. „Tiefgründiger geht es nicht“, erklärt sie, „allein das Verständnis der grundlegendsten Bestandteile und Wechselwirkungen der Materie.“
Sie strebte ein Aufbaustudium an Universität von Michigan Ann Arbor, USA, mit der Absicht, theoretische Teilchenphysik zu studieren. Mermingas Bewerbung war erfolgreich und 1983 zog sie um die ganze Welt, um ihre akademischen Träume zu verwirklichen.
Merminga nahm an Kursen teil und führte einige Forschungsprojekte in ihrem gewählten Fachgebiet durch. Letztendlich stellte sie jedoch fest, dass die theoretische Teilchenphysik nicht so befriedigend war, wie sie es sich vorgestellt hatte, da zwischen der Entwicklung einer Theorie und der Möglichkeit, sie experimentell zu testen, lange Zeiträume vergingen. Nachdem sie von einem Graduiertenprogramm für Beschleunigerwissenschaften am Fermilab erfahren hatte, besuchte sie das Forschungsinstitut zum ersten Mal. Dies erwies sich als entscheidender Moment in ihrer Karriere.
Beschleunigung der Wissenschaft
Teilchenbeschleuniger treiben Strahlen geladener Teilchen – von Protonen und Elektronen bis hin zu Ionen – mit sehr hohen Geschwindigkeiten an, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommen. Die Beschleunigerwissenschaft konzentriert sich auf die Entwicklung, den Betrieb und die Optimierung dieser riesigen Maschinen, um die Teilchenphysik und viele andere wissenschaftliche Bereiche zu ermöglichen. Forscher arbeiten ständig daran, unsere Fähigkeit zu verbessern, Strahlen zu kontrollieren und zu lenken, anstatt nur das Ergebnis von Kollisionen zu betrachten.
„Die Zeitskalen für diese Experimente sind viel kürzer als in der Teilchenphysik“, erklärt Merminga. „Das hat mich gereizt. Ich könnte Theorien entwickeln, sie testen und unmittelbarere Ergebnisse erzielen.“ Also nahm sie am PhD-Programm am Fermilab teil und arbeitete an der Tevatron – der damals energiereichste Collider der Welt.
Um Kollisionen zu optimieren, ist es wichtig, den Teilchenstrahl im Kollidertunnel vorhersagen und steuern zu können, insbesondere bei nicht gut untersuchten nichtlinearen Effekten. Für ihr Doktoratsprojekt verwendete Merminga theoretische Formalismen und experimentelle Daten des Tevatron, um zu untersuchen, wie die Strahldynamik auf das magnetische System reagierte, das zu seiner Steuerung und Fokussierung verwendet wurde, insbesondere dort, wo Nichtlinearität zu einem entscheidenden begrenzenden Faktor für die Leistung wurde. Ihre Arbeit beeinflusste den Entwurf des damals geplanten Superconducting Super Collider.
Nach Abschluss ihrer Doktorarbeit – sie war zu dieser Zeit erst die zweite Studentin, die diesen speziellen Studiengang abschloss – begann Merminga dort zu arbeiten Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Seitdem hat sie sich im Laufe ihrer Karriere zur Expertin in verschiedenen Bereichen der Beschleunigerwissenschaft entwickelt. Tatsächlich hatte sie mehrere Führungspositionen inne, unter anderem als Leiterin der Beschleunigerabteilung bei TRIUMF, Kanadas Teilchenbeschleunigerzentrum.
Projektprioritäten
Während Mermingas Karriere Fortschritte machte, veränderte sich auch Fermilab. Im Jahr 2011 wurde das Tevatron nach fast 30 Jahren kollidierender Protonen und Antiprotonen abgeschaltet. Dies bedeutete eine deutliche Verlagerung des Schwerpunkts des Labors weg von Hochenergieexperimenten. Ein Grund für diese Änderung liegt zum Teil im internationalen Charakter der Teilchenphysik – da kein einzelnes Land die Kapazität hat, alle Experimente durchzuführen, ist es sinnvoll, dass die großen Forschungseinrichtungen verschiedene Bereiche untersuchen.
Durch 2011, CERN Large Hadron Collider war mit höheren Energien in Betrieb als das Tevatron; Daher sah Fermilab die Chance, stattdessen die Führung bei hochintensiven Experimenten zu übernehmen. Letztere sind besonders wichtig für die Untersuchung von Neutrinos; Die Wechselwirkungsraten dieser winzigen Teilchen sind äußerst gering. Um solche Ereignisse beobachten zu können, ist es daher unerlässlich, große Mengen davon zu erzeugen.
Um neue Experimente zu unterstützen, begann Fermilab 2015 mit dem Bau Protonenverbesserungsplan II (PIP-II) und Merminga kehrte zu ihr zurück alma mater das Projekt zu leiten. PIP-II ist ein 215 m langer Linearbeschleuniger, der als Herzstück des neuen Beschleunigerkomplexes von Fermilab dienen und zu zahlreichen neuen Experimenten beitragen wird. Eines der Hauptziele von PIP-II besteht darin, den intensivsten Neutrinostrahl der Welt zu erzeugen, indem der intensive Protonenstrahl auf ein Graphitziel geschossen wird. Diese Neutrinos werden durch die beiden geschickt Tief unterirdisches Neutrino-Experiment (DUNE)-Detektoren, die derzeit im Bau sind – einer im Fermilab und der andere 1300 km entfernt in South Dakota.
Der Grund für die große Entfernung liegt darin, dass Neutrinos in drei „Geschmacksrichtungen“ vorkommen – Elektron, Myon und Tau – und dass sie auf ihrer Reise das seltsame Verhalten zeigen, zwischen diesen Typen zu „oszillieren“. Der große Abstand zwischen den beiden Detektoren erhöht ihre Empfindlichkeit gegenüber diesen Schwingungen, wobei dieses Verhalten möglicherweise tiefgreifende Auswirkungen auf das gesamte Universum haben könnte. Physiker gehen davon aus, dass es einen Unterschied in der Art und Weise geben könnte, wie Neutrinos und Antineutrinos zwischen ihren Geschmacksrichtungen oszillieren, was auf eine Verletzung der Materie-Antimaterie-Symmetrie (C-P-Verletzung) und einer Physik jenseits des Standardmodells hinweisen würde. Ein solcher Unterschied könnte sogar der Schlüssel dafür sein, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt – eine entscheidende Voraussetzung für unsere eigene Existenz.
Ich würde gerne sehen, wie DUNE so schnell wie möglich die endgültige Antwort auf Neutrino-Oszillationen und C-P-Verletzungen findet, weil es mit der Materie-Antimaterie-Asymmetrie zusammenhängt und warum wir überhaupt hier sind
Lia Merminga
Daher hofft Merminga, dass die von PIP-II unterstützten Neutrinostudien Licht auf diese große Frage werfen werden. „Ich würde gerne sehen, wie DUNE so schnell wie möglich die endgültige Antwort auf Neutrino-Oszillationen und CP-Verletzungen findet“, sagt sie, „weil es mit der Materie-Antimaterie-Asymmetrie zusammenhängt und warum wir überhaupt hier sind.“
Merminga ist auch von der damit verbundenen Technologie begeistert, beispielsweise der supraleitenden Hochfrequenztechnologie (SRF), bei der Fermilab weltweit führend ist, und sie ist gespannt, wie weit das Institut die Grenzen dort verschieben kann. SRF verbessert die Beschleunigerleistung, indem es den Energieverlust vermeidet, der normalerweise durch den Widerstand gegen Ströme in den Beschleunigerwänden auftritt. Die Strukturen von PIP-II werden aus supraleitendem Niob hergestellt und auf 2 K gekühlt, um diese Eigenschaft zu nutzen.
Da sie nun Direktorin von Fermilab als Ganzes und nicht von PIP-II im Besonderen ist, wird Merminga nicht mehr ganz so eng daran beteiligt sein wie zuvor, aber sie möchte mit dem Fortschritt Schritt halten und bleibt dem Projekt mit Leidenschaft verbunden. „Wenn es fertig ist, wird es noch 50 Jahre lang von Generationen nach mir genutzt“, sagt sie. „Es ist kraftvoll, zu etwas von bleibendem Wert beizutragen.“
Wegbereiter
Während sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse weiterentwickelt haben, hat sich auch die Welt um sie herum weiterentwickelt. Vielleicht ist die Tatsache, dass Fermilab zum ersten Mal von einer Frau geleitet wird, ein Beweis für diese Veränderungen. Persönlich ist Merminga nicht der Meinung, dass ihr Geschlecht ein Hindernis für ihre Karriere darstellt, und sie betont die Macht technischer Kompetenz.
„Wenn ich die einzige Frau in einem Raum bin“, erklärt sie, „werden sie mich nicht mehr als Frau betrachten und sich auf das konzentrieren, was ich beitrage, wenn ich die richtigen Antworten gebe oder die richtigen Einsichten habe.“ So bin ich in meiner Karriere damit umgegangen. Seien Sie sehr gut in dem, was Sie tun, und früher oder später werden sie Ihnen zuhören müssen.“ Dennoch glaubt sie, dass sich die Unterrepräsentation von Frauen in der Physik ändern muss, und fügt hinzu, dass Teams viel wirkungsvoller und effektiver seien, wenn sie auf vielfältigere Perspektiven zurückgreifen könnten.
Merminga führt einen Großteil ihres Selbstvertrauens darauf zurück, dass sie eine reine Mädchenschule besucht hat, und weist darauf hin, dass Jungen manchmal selbstbewusster sein können. „Bis ich 18 war, lebte ich in einer Umgebung, die ein wenig geschützt war“, sagt sie. „Das hat mir geholfen, Selbstvertrauen aufzubauen. Als ich zur Universität ging, waren nur 10 % der Studenten Frauen, aber da hatte ich genug Selbstvertrauen aufgebaut, dass das keine Rolle spielte.“
Merminga glaubt daher, dass Physikprogramme nur für Mädchen dazu beitragen könnten, dass sich Mädchen stärker für das Studium des Fachs befähigt fühlen. Aber sie sagt, wir brauchen eine mehrgleisige Lösung, die auch die praktischen Probleme berücksichtigt, mit denen Menschen im Laufe ihrer Karriere konfrontiert sind. Fermilab verfügt beispielsweise über eine Tagesbetreuung vor Ort, die es Eltern erleichtert, sich auf ihre Arbeit zu konzentrieren.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist natürlich die Erhöhung der Sichtbarkeit von Frauen in dem Thema. Merminga merkt an, dass dies für sie hilfreich war, da sie sich während ihrer Schulzeit von ihrer Physiklehrerin und später von Helen Edwards, der leitenden Physikerin beim Bau des Tevatron, inspirieren ließ. „Jemanden in Aktion zu sehen, ist sehr kraftvoll“, sagt sie.
Glücklicherweise hat sich dies in den letzten Jahren weiter verbessert. Seit 2016 ist der experimentelle Teilchenphysiker Fabiola Gianotti war Generaldirektorin des CERN und zugleich die erste Frau, die diese Position innehatte. Mit der Übernahme der Leitung von Fermilab durch Merminga sind nun zwei der renommiertesten Berufe in der Physik mit Frauen besetzt. Obwohl also noch viel zu tun bleibt, scheint dies ein bedeutender Meilenstein zu sein.
Die Zukunft formulieren
Obwohl Merminga bereits zuvor große Projekte und Programme geleitet hat, stellt die Leitung eines so großen Instituts wie Fermilab für sie eine neue Herausforderung dar, da der größere Maßstab zusätzliche Komplexität mit sich bringt. Sie ist jedoch davon überzeugt, dass die Grundprinzipien der Führung und Leitung eines großen wissenschaftlichen Unternehmens dieselben bleiben.
„Es ist wichtig, eine klare Vision zu haben“, sagt sie, „und diese jedem Mitarbeiter vermitteln zu können; einen Plan haben, um diese Vision zu verwirklichen; und mich und alle anderen zur Verantwortung zu ziehen, dies zu erreichen.“
Vorbereitung auf eine Post-LHC-Zukunft
Was ist also Mermingas Vision für Fermilab? Das ist etwas, worüber sie noch nachdenkt, da sie gerade erst die Leitung übernommen hat, und sie ist daran interessiert, viele Perspektiven zu berücksichtigen. Eine ihrer ersten Maßnahmen im April bestand darin, eine „Hörtour“ zu unternehmen, um den Aussagen von Labormitarbeitern und der Benutzergemeinschaft von Fermilab zuzuhören. Während die Einzelheiten noch in Arbeit sind, beschreibt sie die Grundzüge ihres Ziels für Fermilab, „weltweit führend in der Teilchenphysik und Beschleunigerwissenschaft, -technologie und -innovation zu sein, gestützt auf eine vielfältige und erstklassige Belegschaft; durch hervorragende und robuste Betriebs- und Geschäftssysteme; durch eine nachhaltige Campus-Strategie, die in unsere Mission integriert ist; und indem wir Partnerschaften auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene aufrechterhalten und ermöglichen.“
Wenn sie über ihre Karriere nachdenkt, sagt sie, dass es ihr große Gefühle bereitet, Direktorin des Instituts zu werden, an dem sie erstmals mit der Beschleunigerwissenschaft begonnen hat. „Ich fasse es in zwei Worten zusammen: tiefe Dankbarkeit“, sagt sie. „Ich hatte das große Privileg, als Doktorand hier zu sein und Experimente mit einigen der weltbesten Physikern und mit dem fortschrittlichsten Collider durchzuführen, den es damals gab. Wie viel Glück kann man haben? Da fällt mir das Gedicht „Ithaka“ des griechischen Dichters Konstantin Kavafi ein. Er schreibt: „Ithaca hat Ihnen die wunderbare Reise geschenkt.“ Vielleicht inspiriert dies zu einer persönlicheren Seite ihrer Mission als Direktorin, denn sie betont, dass sie nun auch anderen jungen Wissenschaftlern ähnliche Möglichkeiten bieten möchte. Und sie möchte es nicht nur weitergeben, sondern auch das Erbe früherer Generationen von Physikern und der ehemaligen Direktoren von Fermilab würdigen.
Ich fühle Verantwortung und Dankbarkeit und bin sehr optimistisch, dass wir diesen Weg fortsetzen können
Lia Merminga
Rückblickend scheint es ein Zufall zu sein, dass einer dieser ehemaligen Regisseure, Leon Lederman, im Hintergrund des Fotos von Mermingas Onkel zu sehen ist. „Wir stehen auf den Schultern von Riesen“, sagt sie. „Ich spüre die große Verantwortung, die Tradition des Fermilab als dieser großartigen Institution fortzusetzen, die auf der ganzen Welt für Innovationen und bahnbrechende Entdeckungen anerkannt ist. Ich fühle Verantwortung und Dankbarkeit und bin sehr optimistisch, dass wir diesen Weg fortsetzen können.“
