Lia Merminga : diriger l'avenir du Fermilab

Lia Merminga vient de prendre une place majeure dans le monde scientifique. En avril, le célèbre physicien des accélérateurs a pris la direction des Laboratoire national des accélérateurs Fermi (Laboratoire Fermi) – l’un des centres de recherche en physique des particules les plus emblématiques au monde. Atteindre ce poste le plus élevé est une réussite monumentale, et Merminga réfléchit au chemin qui l'a conduite à devenir directrice de l'institut où son parcours dans la physique des accélérateurs a commencé.

Ayant grandi dans son pays natal, la Grèce, où elle est née en 1960, Merminga a eu dès son enfance la détermination de poursuivre des études scientifiques. En effet, l'une de ses premières inspirations a été d'entendre sa famille raconter des histoires sur son oncle, George Dousmanis, titulaire d'un doctorat en physique de L'Université de Columbia. « Il était légendaire dans ma famille », se souvient-elle. «J'ai une photo fascinante de lui en tant qu'étudiant diplômé avec [des physiciens lauréats du prix Nobel] Léon Lederman ainsi que Tsung Dao Lee en arrière-plan." L’intérêt de Merminga pour la science a été encore galvanisé par une biographie de Marie Curie, qu'elle a lu à l'âge de 13 ans, et une excellente professeure de physique qu'elle a eu au lycée. « Je sentais que c'était une vie qui valait la peine d'être vécue », dit-elle, « se consacrer à la science avec un objectif si singulier, faire progresser les connaissances et avoir un impact énorme sur la société ».

Après avoir terminé ses études, Merminga a étudié la physique à l'université Université d'Athènes. Au cours de sa troisième année, son directeur de thèse était professeur de physique théorique des particules, et Merminga a décidé que c'était la branche scientifique dans laquelle elle souhaitait se lancer. « Cela ne va pas plus loin que cela », explique-t-elle, « il suffit de comprendre les constituants et les interactions les plus fondamentaux de la matière ».

Elle a jeté son dévolu sur des études de troisième cycle à l'Université Université du Michigan Ann Arbor, États-Unis, avec l'intention d'étudier la physique théorique des particules. La candidature de Merminga a été retenue et, en 1983, elle a déménagé à travers le monde pour poursuivre ses rêves académiques.

Merminga a suivi des cours et réalisé quelques projets de recherche dans la discipline de son choix. Mais elle a finalement découvert que la physique théorique des particules n’était pas aussi gratifiante qu’elle l’avait imaginé, en raison des longs délais entre l’élaboration d’une théorie et la possibilité de la tester expérimentalement. Après avoir découvert un programme d'études supérieures en science des accélérateurs au Laboratoire Fermi, elle a visité l'institut de recherche pour la première fois. Cela s’est avéré être un moment charnière dans sa carrière.

Accélérer la science

Les accélérateurs de particules propulsent des faisceaux de particules chargées – depuis les protons et électrons jusqu’aux ions – à des vitesses très élevées, proches de celle de la lumière. La science des accélérateurs se concentre sur la conception, l’exploitation et l’optimisation de ces énormes machines pour permettre la physique des particules et de nombreux autres domaines scientifiques. Les chercheurs travaillent constamment à améliorer notre capacité à contrôler et à diriger les faisceaux, plutôt que de simplement examiner les résultats des collisions.

"Les délais de ces expériences sont beaucoup plus courts qu'en physique des particules", explique Merminga. « Cela m’a séduit. Je pourrais développer des théories, les tester et obtenir des résultats plus immédiats. Elle a donc rejoint le programme de doctorat du Laboratoire Fermi, travaillant sur le Tévatron – le collisionneur le plus énergétique du monde à l’époque.

Pour optimiser les collisions, il est important de pouvoir prédire et contrôler le faisceau de particules dans le tunnel du collisionneur, notamment en présence d’effets non linéaires peu étudiés. Pour son projet de doctorat, Merminga a utilisé des formalismes théoriques et des données expérimentales du Tevatron pour étudier comment la dynamique du faisceau réagissait au système magnétique utilisé pour le diriger et le focaliser, en particulier lorsque la non-linéarité est devenue un facteur limitant clé des performances. Son travail a éclairé la conception du supercollisionneur supraconducteur, qui était alors en projet.

Après avoir terminé son doctorat – devenant alors la deuxième étudiante à obtenir son diplôme de ce programme spécifique – Merminga est allée travailler au Centre d'accélération linéaire de Stanford (SLAC). Depuis lors, elle a consacré sa carrière à devenir experte dans plusieurs domaines de la science des accélérateurs. En effet, elle a occupé plusieurs postes de direction, notamment celui de chef de la division accélérateurs chez TRIUMF, le centre des accélérateurs de particules du Canada.

Priorités du projet

Tandis que Merminga progressait dans sa carrière, le Laboratoire Fermi changeait également. En 2011, après près de 30 ans de collisions de protons et d’antiprotons, le Tevatron a été arrêté. Cela a marqué un changement significatif dans l’orientation du laboratoire par rapport aux expériences à haute énergie. Ce changement s’explique en partie par la nature internationale de la physique des particules : étant donné qu’aucun pays n’a la capacité de réaliser toutes les expériences, il est logique que les grandes installations de recherche étudient différents domaines.

Par 2011, CERN's Grand collisionneur de hadrons était opérationnel à des énergies plus élevées que le Tevatron ; le Laboratoire Fermi a donc vu l’opportunité de prendre la tête des expériences à haute intensité. Ces derniers sont particulièrement importants pour l’étude des neutrinos ; ces minuscules particules ont des taux d’interaction extrêmement faibles, donc pour observer de tels événements, il est essentiel d’en générer d’énormes quantités.

En 2015, pour soutenir de nouvelles expériences, le Laboratoire Fermi a commencé à construire le Plan d'amélioration des protons-II (PIP-II), et Merminga lui revint Alma mater pour diriger le projet. PIP-II est un accélérateur linéaire de 215 m de long qui servira de cœur au nouveau complexe d’accélérateurs du Laboratoire Fermi et contribuera à plusieurs nouvelles expériences. L’un des principaux objectifs du PIP-II est de créer le faisceau de neutrinos le plus intense au monde, en lançant son intense faisceau de protons dans une cible en graphite. Ces neutrinos seront envoyés à travers les deux Expérience souterraine profonde sur les neutrinos (DUNE), actuellement en construction – l'un au Fermilab et l'autre à 1300 XNUMX km dans le Dakota du Sud.

La raison pour laquelle ils sont situés si loin est que les neutrinos se présentent sous trois « saveurs » – électron, muon et tau – et qu’ils présentent l’étrange comportement d’« osciller » entre ces types lors de leur voyage. La grande distance entre les deux détecteurs augmente leur sensibilité à ces oscillations, ce comportement ayant potentiellement de profondes implications pour l’univers tout entier. Les physiciens pensent qu'il pourrait y avoir une différence dans la façon dont les neutrinos et les antineutrinos oscillent entre leurs saveurs, ce qui indiquerait une violation de la symétrie matière-antimatière (violation C-P) et une physique au-delà du modèle standard. Une telle différence pourrait même expliquer pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers – une condition cruciale pour notre propre existence.

J'aimerais voir DUNE parvenir le plus rapidement possible à la réponse définitive aux oscillations des neutrinos et à la violation de C – P, car cela est lié à l'asymétrie matière-antimatière, et pourquoi nous sommes même ici.

Lia Merminga

Merminga espère donc que les études sur les neutrinos menées par PIP-II permettront de faire la lumière sur cette grande question. «J'aimerais voir DUNE parvenir le plus rapidement possible à la réponse définitive aux oscillations des neutrinos et à la violation de C – P», dit-elle, «parce que c'est lié à l'asymétrie matière-antimatière, et pourquoi nous sommes même ici.»

Merminga est également enthousiasmée par les technologies associées, telles que la technologie des radiofréquences supraconductrices (SRF) – dans laquelle le Laboratoire Fermi est un leader mondial – et elle a hâte de voir jusqu'où l'institut peut repousser les limites dans ce domaine. Le SRF améliore les performances de l'accélérateur en évitant la perte d'énergie qui se produit normalement en raison de la résistance aux courants dans les parois de l'accélérateur. Les structures du PIP-II seront constituées de niobium supraconducteur et refroidies à 2 K pour profiter de cette propriété.

Maintenant qu'elle est directrice du Fermilab dans son ensemble, et non plus du PIP-II en particulier, Merminga n'y sera plus aussi étroitement impliquée qu'avant, mais elle entend suivre son évolution et reste passionnée par le projet. . « Quand il sera terminé, il sera utilisé pendant encore 50 ans par les générations qui me succéderont », dit-elle. « C’est puissant de contribuer à quelque chose qui a une valeur durable. »

Trailblazer

Si les connaissances scientifiques progressent, le monde qui les entoure progresse également. Peut-être que le fait que le Laboratoire Fermi soit dirigé pour la première fois par une femme témoigne de ces changements. Personnellement, Merminga ne pense pas que son sexe ait été un obstacle dans sa carrière et elle met l'accent sur le pouvoir de la compétence technique.

« Quand je suis la seule femme dans une pièce, explique-t-elle, si je donne les bonnes réponses ou si j’ai les bonnes idées, ils cesseront de me considérer comme une femme et se concentreront sur ce que j’apporte. C’est ainsi que j’ai géré cela au cours de ma carrière. Soyez très bon dans ce que vous faites et ils devront vous écouter tôt ou tard. Néanmoins, elle estime que la sous-représentation des femmes en physique doit changer, ajoutant que les équipes ont beaucoup plus d’impact et d’efficacité lorsqu’elles peuvent s’appuyer sur des perspectives plus diverses.

Merminga attribue une grande partie de sa confiance en elle au fait d'avoir fréquenté une école réservée aux filles, notant que les garçons peuvent parfois être plus assertifs. « Jusqu’à mes 18 ans, j’étais dans un environnement un peu protégé », raconte-t-elle. « Cela m’a aidé à prendre confiance en moi. Quand je suis allé à l’université, seulement 10 % des étudiants étaient des femmes, mais j’étais alors suffisamment convaincu que cela n’avait pas d’importance.

Merminga pense donc que des programmes de physique réservés aux filles pourraient aider les filles à se sentir plus autonomes pour étudier le sujet. Mais elle affirme que nous avons besoin d’une solution à plusieurs volets qui réponde également aux problèmes pratiques auxquels les gens sont confrontés tout au long de leur carrière. Le Laboratoire Fermi, par exemple, dispose d'une garderie sur place qui permet aux parents de se concentrer plus facilement sur leur travail.

Un autre facteur majeur est bien sûr l’augmentation de la visibilité des femmes sur le sujet. Merminga note que cela lui a été utile, car elle a été inspirée par son professeur de physique lorsqu'elle était à l'école, puis plus tard par Helen Edwards, la physicienne principale chargée de la construction du Tevatron. « Voir quelqu'un en action est très puissant », dit-elle.

Heureusement, la situation s’est encore améliorée ces dernières années. Depuis 2016, le physicien expérimental des particules Fabiola Gianotti a été directrice générale du CERN, et également la première femme à occuper ce poste. Avec Merminga à la tête du Laboratoire Fermi, deux des postes les plus prestigieux en physique sont désormais occupés par des femmes. Même s’il reste encore du travail à faire, cela semble être une étape importante.

Formuler l'avenir

Bien que Merminga ait déjà dirigé des projets et des programmes majeurs, diriger un institut aussi grand que Fermilab constitue un nouveau défi pour elle, car une plus grande échelle signifie une complexité accrue. Mais elle estime que les principes fondamentaux du leadership et de la gestion d’une grande entité scientifique restent les mêmes.

« Il est important d’avoir une vision claire, dit-elle, et de pouvoir l’exprimer à chaque employé ; avoir un plan pour réaliser cette vision ; et de me tenir moi-même et tous les autres responsables d’y parvenir.

Alors, quelle est la vision de Merminga pour le Laboratoire Fermi ? C'est quelque chose qu'elle est encore en train de formuler, alors qu'elle vient tout juste de prendre la relève, et qu'elle souhaite envisager de nombreuses perspectives. L’une des premières actions qu’elle a entreprises en avril a été de se lancer dans une « tournée d’écoute », pour entendre les employés du laboratoire et la communauté des utilisateurs du Laboratoire Fermi. Bien que les détails soient encore en préparation, elle décrit les grandes lignes de son ambition pour le Laboratoire Fermi : « être le leader mondial en physique des particules et en science, technologie et innovation des accélérateurs, soutenu par une main-d’œuvre diversifiée et de classe mondiale ; par des opérations et des systèmes commerciaux excellents et robustes ; par une stratégie de campus durable intégrée à notre mission ; et en durables et en favorisant des partenariats, régionaux, nationaux et internationaux.

En réfléchissant à sa carrière, elle dit qu'elle éprouve beaucoup de sentiments à l'idée de devenir directrice de l'institut où elle a fait ses débuts dans la science des accélérateurs. « Je vais le résumer en deux mots : profonde gratitude », dit-elle. « J’ai eu le privilège d’être ici en tant qu’étudiant diplômé, de faire des expériences avec certains des meilleurs physiciens du monde et avec le collisionneur le plus avancé qui existait à l’époque. Quelle chance peut-on avoir ? Le poème « Ithaque » du poète grec Constantin Cavafy me vient à l’esprit. Il écrit : « Ithaque vous a fait faire un voyage merveilleux ». Cela lui inspire peut-être un aspect plus personnel de sa mission de directrice, puisqu'elle souligne qu'elle souhaite désormais offrir des opportunités similaires à d'autres jeunes scientifiques. Et en plus de rendre hommage, elle souhaite honorer l’héritage des générations précédentes de physiciens et des anciens directeurs du Laboratoire Fermi.

Je ressens de la responsabilité et de la gratitude, et beaucoup d'optimisme quant au fait que nous pouvons poursuivre cette trajectoire.

Lia Merminga

Avec le recul, il semble fortuit que l’un de ces anciens réalisateurs, Leon Lederman, soit à l’arrière-plan de la photo représentant l’oncle de Merminga. « Nous sommes sur les épaules de géants », dit-elle. « Je ressens cette grande responsabilité de perpétuer la tradition du Laboratoire Fermi, cette grande institution reconnue dans le monde entier pour son innovation et ses découvertes révolutionnaires. Je ressens de la responsabilité et de la gratitude, et beaucoup d’optimisme quant à notre capacité à poursuivre cette trajectoire.