Lia Merminga: regie over de toekomst van Fermilab

Lia Merminga heeft zojuist een belangrijke rol in de wetenschappelijke wereld ingenomen. In april heeft de gerenommeerde versnellerfysicus nam het over als directeur van de Fermi Nationaal Accelerator-laboratorium (Fermilab) – een van de meest iconische onderzoekscentra voor deeltjesfysica ter wereld. Het bereiken van die topbaan is een monumentale prestatie, en Merminga denkt na over het pad dat haar leidde om het hoofd te worden van het instituut waar haar reis in de versnellerfysica voor het eerst begon.

Merminga groeide op in haar thuisland Griekenland, waar ze in 1960 werd geboren. Een van haar eerste inspiratiebronnen was inderdaad het horen van haar familie verhalen vertellen over haar oom, George Dousmanis, die een doctoraat in de natuurkunde had van Columbia University. "Hij was legendarisch in mijn familie", herinnert ze zich. "Ik heb een fascinerende foto van hem als afgestudeerde student bij [Nobelprijswinnende natuurkundigen] Leon lederman en Tsung Dao Lee op de achtergrond." Merminga's interesse in wetenschap werd verder aangewakkerd door een biografie van Marie Curie-, die ze op 13-jarige leeftijd las, en een uitstekende vrouwelijke natuurkundelerares die ze op de middelbare school had. "Ik voelde dat dit een leven was dat de moeite waard was om geleefd te worden", zegt ze, "zich wijden aan de wetenschap met zo'n uniek doel, kennis bevorderen en een enorme impact hebben op de samenleving".

Na haar schooltijd ging Merminga natuurkunde studeren aan de Universiteit van Athene. In haar derde jaar was haar scriptiebegeleider hoogleraar theoretische deeltjesfysica, en Merminga besloot dat dit de tak van de wetenschap was waar ze naar toe wilde. "Het wordt niet dieper dan dat," legt ze uit, "alleen het begrijpen van de meest fundamentele bestanddelen en interacties van materie."

Ze zette haar zinnen op postdoctorale studies aan de Universiteit van Michigan Ann Arbor, VS, met de bedoeling theoretische deeltjesfysica te bestuderen. Merminga's aanvraag was succesvol en in 1983 verhuisde ze de wereld over om haar academische dromen te volgen.

Merminga volgde cursussen en deed enkele onderzoeksprojecten in het door haar gekozen vakgebied. Maar uiteindelijk ontdekte ze dat de theoretische deeltjesfysica niet zo bevredigend was als ze zich had voorgesteld, vanwege de lange tijdspannes tussen het ontwikkelen van een theorie en het experimenteel kunnen testen ervan. Nadat ze hoorde over een afstudeerprogramma voor acceleratorwetenschap bij Fermilab, bezocht ze het onderzoeksinstituut voor het eerst. Dit bleek een cruciaal moment in haar carrière te zijn.

Wetenschap versnellen

Deeltjesversnellers stuwen bundels geladen deeltjes – van protonen en elektronen tot ionen – voort met zeer hoge snelheden, dicht bij die van licht. Accelerator-wetenschap richt zich op het ontwerpen, bedienen en optimaliseren van deze enorme machines om deeltjesfysica en vele andere wetenschappelijke gebieden mogelijk te maken. Onderzoekers werken voortdurend aan het verbeteren van ons vermogen om stralen te controleren en te sturen, in plaats van alleen maar te kijken naar de uitkomst van botsingen.

"De tijdschema's voor deze experimenten zijn veel korter dan in de deeltjesfysica", legt Merminga uit. “Dat sprak me aan. Ik zou theorieën kunnen ontwikkelen en testen en meer directe resultaten krijgen.” Dus sloot ze zich aan bij het PhD-programma bij Fermilab, waar ze werkte aan de Tevatron - destijds 's werelds hoogste energieversneller.

Om botsingen te optimaliseren, is het belangrijk om de bundel deeltjes in de collidertunnel te kunnen voorspellen en beheersen, vooral in de aanwezigheid van niet goed bestudeerde niet-lineaire effecten. Voor haar PhD-project gebruikte Merminga theoretische formalismen en experimentele gegevens van de Tevatron om te bestuderen hoe de straaldynamiek reageerde op het magnetische systeem dat werd gebruikt om het te sturen en te focussen, vooral waar niet-lineariteit een belangrijke beperkende factor voor de prestaties werd. Haar werk vormde de basis voor het ontwerp van de Superconducting Super Collider, die destijds werd gepland.

Na afronding van haar promotietraject – destijds pas de tweede student die afstudeerde van die specifieke opleiding – ging Merminga aan de slag bij de Stanford Lineair Accelerator Center (SLAK). Sindsdien heeft ze een hele carrière besteed aan het worden van een expert op meerdere gebieden van acceleratorwetenschap. Ze heeft inderdaad verschillende leidinggevende functies bekleed, waaronder hoofd van de acceleratordivisie bij TRIOMF, het Canadese deeltjesversnellercentrum.

Projectprioriteiten

Terwijl Merminga vorderde in haar carrière, veranderde ook Fermilab. In 2011, na bijna 30 jaar van botsende protonen en antiprotonen, werd de Tevatron stilgelegd. Dit markeerde een belangrijke verschuiving in de focus van het lab, weg van experimenten met hoge energie. Een deel van de grondgedachte achter deze verandering kwam voort uit het internationale karakter van de deeltjesfysica - aangezien geen enkel land de capaciteit heeft om alle experimenten uit te voeren, is het logisch dat de grote onderzoeksfaciliteiten verschillende gebieden onderzoeken.

Door 2011, CERN's Large Hadron Collider was actief met hogere energieën dan de Tevatron; dus Fermilab zag de mogelijkheid om in plaats daarvan het voortouw te nemen in experimenten met hoge intensiteit. Deze laatste zijn vooral belangrijk voor het bestuderen van neutrino's; deze kleine deeltjes hebben extreem lage interactiesnelheden, dus om dergelijke gebeurtenissen waar te nemen, is het essentieel om er enorme hoeveelheden van te genereren.

Ter ondersteuning van nieuwe experimenten is Fermilab in 2015 begonnen met de bouw van de Protonenverbeteringsplan-II (PIP-II), en Merminga keerde terug naar haar alma mater om het project te leiden. PIP-II is een 215 m lange lineaire versneller die zal dienen als het hart van Fermilab's nieuwe versnellercomplex en zal bijdragen aan meerdere nieuwe experimenten. Een van de belangrijkste doelen van PIP-II is om de meest intense bundel neutrino's ter wereld te creëren door zijn intense protonenbundel in een grafietdoel te lanceren. Deze neutrino's worden door de twee gestuurd Diep ondergronds neutrino-experiment (DUNE) detectoren, die momenteel in aanbouw zijn - een bij Fermilab en de andere 1300 km verderop in South Dakota.

De reden dat ze zich zo ver weg bevinden, is dat neutrino's in drie "smaken" voorkomen - elektron, muon en tau - en ze vertonen het vreemde gedrag van "oscilleren" tussen deze typen terwijl ze reizen. De grote afstand tussen de twee detectoren verhoogt hun gevoeligheid voor deze oscillaties, waarbij dit gedrag mogelijk ingrijpende gevolgen heeft voor het hele universum. Natuurkundigen denken dat er een verschil kan zijn in de manier waarop neutrino's en antineutrino's oscilleren tussen hun smaken, wat zou duiden op een schending van de materie-antimaterie-symmetrie (C-P-schending) en fysica die verder gaat dan het standaardmodel. Zo'n verschil zou zelfs de sleutel kunnen zijn waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is - een cruciale voorwaarde voor ons eigen bestaan.

Ik zou graag zien dat DUNE zo snel mogelijk het definitieve antwoord op neutrino-oscillaties en C-P-schending vindt, omdat het verband houdt met materie-antimaterie-asymmetrie, en waarom we überhaupt hier zijn

Lia Merminga

Dus Merminga hoopt dat de neutrino-onderzoeken, mogelijk gemaakt door PIP-II, licht zullen werpen op deze grote vraag. "Ik zou graag zien dat DUNE zo snel mogelijk het definitieve antwoord op neutrino-oscillaties en C-P-schending vindt", zegt ze, "omdat het verband houdt met materie-antimaterie-asymmetrie, en waarom we überhaupt hier zijn."

Merminga is ook enthousiast over de bijbehorende technologie, zoals supergeleidende radiofrequentietechnologie (SRF) – waarin Fermilab wereldleider is – en ze is benieuwd hoe ver het instituut daar de grenzen kan verleggen. SRF verbetert de prestaties van de versneller door het energieverlies te vermijden dat normaal gesproken optreedt door weerstand tegen stromen in de versnellerwanden. De structuren van PIP-II worden gemaakt van supergeleidend niobium en gekoeld tot 2 K om van deze eigenschap te profiteren.

Nu ze directeur is van Fermilab als geheel, in plaats van specifiek van PIP-II, zal Merminga er niet zo nauw bij betrokken zijn als voorheen, maar ze is van plan de voortgang bij te houden en blijft gepassioneerd over het project . "Als het klaar is, zal het nog 50 jaar worden gebruikt door generaties na mij", zegt ze. "Het is krachtig om bij te dragen aan iets van blijvende waarde."

baanbreker

Terwijl de wetenschappelijke kennis vooruitgaat, neemt ook de wereld eromheen toe. Misschien is het feit dat Fermilab voor het eerst door een vrouw wordt geleid een bewijs van die veranderingen. Persoonlijk heeft Merminga niet het gevoel dat haar geslacht een obstakel is geweest in haar carrière, en ze benadrukt de kracht van technische vaardigheid.

'Als ik de enige vrouw in een kamer ben', legt ze uit, 'als ik de juiste antwoorden geef of de juiste inzichten heb, denken ze niet meer aan mij als vrouw en richten ze zich op wat ik bijdraagt. Zo ben ik er in mijn carrière mee omgegaan. Wees heel goed in wat je doet en vroeg of laat zullen ze naar je moeten luisteren.” Desalniettemin is ze van mening dat de ondervertegenwoordiging van vrouwen in de natuurkunde moet veranderen, en voegt eraan toe dat teams veel meer impact hebben en effectiever zijn als ze uit meer diverse perspectieven kunnen putten.

Merminga schrijft veel van haar zelfvertrouwen toe aan het feit dat ze op een meisjesschool heeft gezeten, waarbij ze opmerkt dat jongens soms assertiever kunnen zijn. "Tot mijn 18e bevond ik me in een omgeving die een beetje beschermd was", zegt ze. “Dat heeft me geholpen vertrouwen in mezelf op te bouwen. Toen ik naar de universiteit ging, was slechts 10% van de studenten vrouw, maar tegen die tijd had ik genoeg vertrouwen opgebouwd dat het er niet toe deed.”

Merminga is daarom van mening dat natuurkundeprogramma's voor alleen meisjes meisjes kunnen helpen zich sterker te voelen om het vak te studeren. Maar ze zegt dat we een veelzijdige oplossing nodig hebben die ook de praktische problemen aanpakt waarmee mensen gedurende hun hele loopbaan worden geconfronteerd. Fermilab heeft bijvoorbeeld kinderopvang op het terrein, waardoor ouders zich gemakkelijker op hun werk kunnen concentreren.

Een andere belangrijke factor is natuurlijk het vergroten van de zichtbaarheid van vrouwen in het onderwerp. Merminga merkt op dat dit nuttig voor haar was, geïnspireerd door haar vrouwelijke natuurkundeleraar toen ze op school zat, en later door Helen Edwards, de leidende natuurkundige bij de bouw van de Tevatron. "Iemand in actie zien is heel krachtig", zegt ze.

Gelukkig is dit de afgelopen jaren verder verbeterd. Sinds 2016 de experimentele deeltjesfysicus Fabiola Gianotti is directeur-generaal van CERN geweest, ook de eerste vrouw die die functie bekleedde. Nu Merminga het roer overneemt bij Fermilab, worden twee van de meest spraakmakende banen in de natuurkunde nu bezet door vrouwen. Dus hoewel er nog werk aan de winkel is, voelt dit als een belangrijke mijlpaal.

Formuleren van de toekomst

Hoewel Merminga eerder grote projecten en programma's heeft geleid, is het leiden van zo'n groot instituut als Fermilab een nieuwe uitdaging voor haar, omdat de grotere schaal extra complexiteit met zich meebrengt. Maar ze gelooft dat de fundamentele principes van leiderschap en het managen van een grote wetenschappelijke entiteit hetzelfde blijven.

“Het is belangrijk om een ​​duidelijke visie te hebben,” zegt ze, “en deze te kunnen verwoorden naar elke medewerker; een plan hebben om die visie te realiseren; en om mezelf en alle anderen verantwoordelijk te houden om het waar te maken.

Dus wat is Merminga's visie voor Fermilab? Dit is iets dat ze nog steeds aan het formuleren is, ze heeft het nog maar net overgenomen, en ze wil graag veel perspectieven overwegen. Een van de eerste acties die ze in april ondernam, was een 'luistertour', om te horen van labmedewerkers en de gebruikersgemeenschap van Fermilab. Hoewel de details nog in de maak zijn, beschrijft ze de grote lijnen van haar ambitie voor Fermilab: “de wereld leiden in deeltjesfysica en versnellende wetenschap, technologie en innovatie, ondersteund door een divers personeelsbestand van wereldklasse; door excellente en robuuste operaties en bedrijfssystemen; door een duurzame campusstrategie geïntegreerd met onze missie; en door samenwerkingsverbanden aan te gaan en mogelijk te maken, regionaal, nationaal en internationaal.”

Als ze terugkijkt op haar carrière, zegt ze dat ze veel gevoelens heeft om directeur te worden van het instituut waar ze voor het eerst begon in de acceleratorwetenschap. "Ik zal het in twee woorden samenvatten: diepe dankbaarheid", zegt ze. “Ik had het grote voorrecht hier als afstudeerder te zijn en experimenten te doen met enkele van 's werelds beste natuurkundigen en met de meest geavanceerde botser die op dat moment bestond. Hoeveel geluk kan een mens hebben? Ik denk aan het gedicht 'Ithaca' van de Griekse dichter Constantijn Kavafis. Hij schrijft: 'Ithaca gaf je de wonderbaarlijke reis.'” Misschien inspireert dit tot een meer persoonlijke kant van haar missie als directeur, aangezien ze benadrukt dat ze nu ook andere jonge wetenschappers soortgelijke kansen wil geven. En naast het vooruitbetalen, wil ze de erfenis van eerdere generaties natuurkundigen en de voormalige directeuren van Fermilab eren.

Ik voel verantwoordelijkheid en dankbaarheid, en veel optimisme dat we dit traject kunnen voortzetten

Lia Merminga

Terugkijkend lijkt het toevallig dat een van die voormalige directeuren, Leon Lederman, op de achtergrond staat van de foto waarop Merminga's oom wordt afgebeeld. "We staan ​​op de schouders van reuzen", zegt ze. “Ik voel deze grote verantwoordelijkheid om de traditie voort te zetten dat Fermilab dit geweldige instituut is dat over de hele wereld wordt erkend voor innovatie en baanbrekende ontdekkingen. Ik voel verantwoordelijkheid en dankbaarheid, en veel optimisme dat we dit traject kunnen voortzetten.”