Lia Merminga: regisserer fremtiden til Fermilab

Lia Merminga har nettopp tatt opp en stor mantel i den vitenskapelige verden. I april kom den anerkjente akseleratorfysikeren tok over som direktør av Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) – et av de mest ikoniske forskningssentrene for partikkelfysikk i verden. Å nå den toppjobben er en monumental prestasjon, og Merminga reflekterer over veien som førte henne til å bli leder for instituttet der reisen hennes i akseleratorfysikk først startet.

Etter å ha vokst opp i hjemlandet Hellas, hvor hun ble født i 1960, hadde Merminga et ønske fra barndommen om å satse på vitenskap. En av hennes tidligste inspirasjoner var faktisk å høre familien hennes fortelle historier om onkelen, George Dousmanis, som hadde en doktorgrad i fysikk fra Columbia University. "Han var legendarisk i familien min," husker hun. «Jeg har et fascinerende bilde av ham som doktorgradsstudent med [nobelprisvinnende fysikere] Leon Lederman og Tsung-Dao Lee i bakgrunnen." Mermingas interesse for vitenskap ble ytterligere galvanisert av en biografi om Marie Curie, som hun leste i en alder av 13, og en utmerket kvinnelig fysikklærer hun hadde på ungdomsskolen. "Jeg følte at dette var et liv verdt å leve," sier hun, "å vie seg til vitenskap med et så enestående formål, fremme kunnskap og ha en enorm innvirkning på samfunnet."

Etter endt skolegang fortsatte Merminga med å studere fysikk ved Universitetet i Athen. I sitt tredje år var oppgaveveilederen hennes professor i teoretisk partikkelfysikk, og Merminga bestemte seg for at dette var vitenskapsgrenen hun ville gå inn på. "Det blir ikke mer dyptgripende enn det," forklarer hun, "bare å forstå de mest grunnleggende bestanddeler og interaksjoner av materie."

Hun satset på hovedfagsstudier ved University of Michigan Ann Arbor, USA, med den hensikt å studere teoretisk partikkelfysikk. Mermingas søknad var vellykket, og i 1983 flyttet hun over hele verden for å følge sine akademiske drømmer.

Merminga tok kurs og gjorde noen forskningsprosjekter i sin valgte disiplin. Men hun fant til slutt ut at teoretisk partikkelfysikk ikke var så gledelig som hun hadde forestilt seg, på grunn av de lange tidsskalaene mellom å utvikle en teori og å kunne teste den eksperimentelt. Etter å ha lært om et doktorgradsstudentprogram i akseleratorvitenskap ved Fermilab, besøkte hun forskningsinstituttet for første gang. Dette viste seg å være et sentralt øyeblikk i karrieren hennes.

Akselererer vitenskapen

Partikkelakseleratorer driver stråler av ladede partikler – fra protoner og elektroner til ioner – med svært høye hastigheter, nær lysets. Akseleratorvitenskap fokuserer på å designe, betjene og optimalisere disse enorme maskinene for å muliggjøre partikkelfysikk og mange andre vitenskapelige felt. Forskere jobber kontinuerlig med å forbedre vår evne til å kontrollere og rette stråler, i stedet for bare å se på utfallet av kollisjoner.

"Tidsskalaene for disse eksperimentene er mye kortere enn i partikkelfysikk," forklarer Merminga. «Det appellerte til meg. Jeg kunne utvikle teorier og teste dem og få mer umiddelbare resultater.» Så hun begynte på PhD-programmet ved Fermilab, og jobbet med Tevatron – verdens høyeste energikolliderer på den tiden.

For å optimalisere kollisjoner er det viktig å kunne forutsi og kontrollere partikkelstrålen i kollidertunnelen, spesielt i nærvær av ikke godt studerte ikke-lineære effekter. For sitt doktorgradsprosjekt brukte Merminga teoretiske formalismer og eksperimentelle data fra Tevatron for å studere hvordan stråledynamikken reagerte på det magnetiske systemet som ble brukt til å styre og fokusere det, spesielt der ikke-linearitet ble en nøkkelbegrensende faktor for ytelse. Arbeidet hennes informerte utformingen av Superconducting Super Collider, som ble planlagt på den tiden.

Etter å ha fullført sin doktorgrad – og ble bare den andre studenten som ble uteksaminert fra det spesifikke programmet på den tiden – gikk Merminga på jobb ved Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Siden den gang har hun brukt en karriere på å bli ekspert på flere områder innen akseleratorvitenskap. Faktisk har hun hatt flere lederroller, inkludert sjef for akseleratordivisjonen på TRIUMF, Canadas partikkelakseleratorsenter.

Prosjektprioriteringer

Mens Merminga gikk videre i karrieren, var Fermilab også i endring. I 2011, etter nesten 30 år med kolliderende protoner og antiprotoner, ble Tevatron stengt. Dette markerte et betydelig skifte i laboratoriets fokus bort fra høyenergieksperimenter. En del av begrunnelsen bak denne endringen kom fra partikkelfysikkens internasjonale natur – siden ingen enkelt land har kapasitet til å gjøre alle eksperimentene, er det fornuftig for de store forskningsfasilitetene å undersøke ulike områder.

Ved 2011, CERN'S Large Hadron Collider var i gang med høyere energier enn Tevatronen; så Fermilab så muligheten til å ta ledelsen i høyintensive eksperimenter i stedet. Sistnevnte er spesielt viktige for å studere nøytrinoer; disse bittesmå partiklene har ekstremt lave interaksjonshastigheter, så for å observere slike hendelser er det viktig å generere store mengder av dem.

I 2015, for å støtte nye eksperimenter, begynte Fermilab å bygge Protonforbedringsplan-II (PIP-II), og Merminga kom tilbake til henne alma mater å lede prosjektet. PIP-II er en 215 m lang lineær akselerator som vil tjene som hjertet av Fermilabs nye akseleratorkompleks og bidra til flere nye eksperimenter. Et av PIP-IIs hovedmål er å skape den mest intense strålen av nøytrinoer i verden, ved å skyte den intense protonstrålen inn i et grafittmål. Disse nøytrinoene vil bli sendt gjennom de to Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)-detektorer, som for tiden er under konstruksjon – en ved Fermilab og den andre 1300 km unna i South Dakota.

Grunnen til at de befinner seg så langt unna er at nøytrinoer kommer i tre "smaker" - elektron, muon og tau - og de viser den merkelige oppførselen til å "svinge" mellom disse typene mens de reiser. Den store avstanden mellom de to detektorene øker deres følsomhet for disse svingningene, og denne oppførselen kan potensielt ha dype implikasjoner for hele universet. Fysikere tror det kan være en forskjell i måten nøytrinoer og antinøytrinoer svinger mellom smakene deres, noe som ville indikere et brudd på materie-antimaterie-symmetri (C-P-brudd) og fysikk utover standardmodellen. En slik forskjell kan til og med være nøkkelen til hvorfor det er mer materie enn antimaterie i universet – en avgjørende betingelse for vår egen eksistens.

Jeg vil gjerne se DUNE nå det definitive svaret på nøytrinoscillasjoner og C-P-brudd så raskt som mulig fordi det er relatert til materie-antimaterie-asymmetri, og hvorfor vi i det hele tatt er her

Lia Merminga

Så Merminga håper at nøytrinostudiene drevet av PIP-II vil kaste lys over dette store spørsmålet. "Jeg vil gjerne se DUNE nå det definitive svaret på nøytrinoscillasjoner og C-P-brudd så raskt som mulig," sier hun, "fordi det er relatert til materie-antimaterie-asymmetri, og hvorfor vi i det hele tatt er her."

Merminga er også begeistret for den tilhørende teknologien, som superledende radiofrekvensteknologi (SRF) – der Fermilab er verdensledende – og hun er opptatt av å se hvor langt instituttet kan presse grensene der. SRF forbedrer akseleratorytelsen ved å unngå energitapet som normalt oppstår gjennom motstand mot strømmer i akseleratorveggene. PIP-IIs strukturer vil bli laget av superledende niob og avkjølt til 2 K for å dra nytte av denne egenskapen.

Nå som hun er direktør for Fermilab som helhet, snarere enn for PIP-II spesifikt, vil Merminga ikke være fullt så tett involvert i det som hun var før, men hun har til hensikt å følge med på fremgangen og er fortsatt lidenskapelig opptatt av prosjektet . "Når den er ferdig, kommer den til å bli brukt i ytterligere 50 år av generasjoner som kommer etter meg," sier hun. "Det er sterkt å bidra til noe av varig verdi."

Banebryter

Mens vitenskapelig kunnskap har utviklet seg, har verden rundt det også gjort det. Kanskje det faktum at Fermilab blir ledet av en kvinne for første gang er et bevis på disse endringene. Personlig føler ikke Merminga at kjønnet hennes har vært en hindring i karrieren, og hun understreker kraften i teknisk dyktighet.

"Når jeg er den eneste kvinnen i et rom," forklarer hun, "hvis jeg gir de riktige svarene eller har den rette innsikten, kommer de til å slutte å tenke på meg som en kvinne og fokusere på det jeg bidrar med. Det er slik jeg har taklet dette i min karriere. Vær veldig god på det du gjør, og de må høre på deg før eller siden." Likevel mener hun at underrepresentasjonen av kvinner i fysikk må endres, og legger til at team er mye mer slagkraftige og effektive når de har flere forskjellige perspektiver å trekke på.

Merminga tilskriver mye av selvtilliten sin til å ha gått på en skole for alle jenter, og bemerker at gutter noen ganger kan være mer selvsikkere. "Før jeg var 18, var jeg i et miljø som var litt beskyttet," sier hun. "Det hjalp meg å bygge selvtillit. Da jeg gikk på universitetet var bare 10 % av studentene kvinner, men da hadde jeg bygget nok selvtillit til at det ikke spilte noen rolle.»

Merminga mener derfor at fysikkprogrammer kun for jenter kan hjelpe jenter til å føle seg mer bemyndiget til å studere emnet. Men hun sier at vi trenger en flersidig løsning som også tar for seg de praktiske problemene folk møter gjennom hele karrieren. Fermilab har for eksempel barnehage på stedet som gjør det lettere for foreldre å fokusere på jobben sin.

En annen viktig faktor er selvsagt å øke synligheten til kvinner i faget. Merminga bemerker at dette var nyttig for henne, etter å ha blitt inspirert av hennes kvinnelige fysikklærer da hun gikk på skolen, og senere av Helen Edwards, hovedfysikeren i konstruksjonen av Tevatron. "Å se noen i aksjon er veldig sterkt," sier hun.

Heldigvis har dette forbedret seg ytterligere de siste årene. Siden 2016, den eksperimentelle partikkelfysikeren Fabiola Gianotti har vært generaldirektør for CERN, også den første kvinnen som hadde den stillingen. Med Merminga over roret i Fermilab, er to av de høyest profilerte jobbene innen fysikk nå besatt av kvinner. Så selv om det fortsatt er arbeid å gjøre, føles dette som en betydelig milepæl.

Å formulere fremtiden

Selv om Merminga har ledet store prosjekter og programmer før, er det en ny utfordring for henne å lede et så stort institutt som Fermilab, da større skala betyr økt kompleksitet. Men hun mener at de grunnleggende prinsippene for ledelse og ledelse av en stor vitenskapelig enhet forblir de samme.

«Det er viktig å ha en klar visjon,» sier hun, «og å kunne artikulere den til alle ansatte; å ha en plan for å realisere den visjonen; og å holde meg selv og alle andre ansvarlige for å levere på det.»

Så hva er Mermingas visjon for Fermilab? Dette er noe hun fortsatt formulerer, etter å ha nettopp tatt over, og hun er opptatt av å vurdere mange perspektiver. En av de første handlingene hun tok i april var å legge ut på en «lyttetur» for å høre fra laboratorieansatte og Fermilabs brukerfellesskap. Mens detaljene fortsatt er under arbeid, beskriver hun de brede strekene i hennes ambisjon for Fermilab er at det skal «lede verden innen partikkelfysikk og akseleratorvitenskap, teknologi og innovasjon, underbygget av en mangfoldig arbeidsstyrke i verdensklasse; av utmerkede og robuste operasjoner og forretningssystemer; ved en bærekraftig campusstrategi integrert med vårt oppdrag; og ved å varige og muliggjøre partnerskap, regionalt, nasjonalt og internasjonalt.»

Når hun reflekterer over karrieren sin, sier hun at hun har mange følelser for å bli direktør for instituttet der hun først startet med akseleratorvitenskap. "Jeg skal oppsummere det med to ord: dyp takknemlighet," sier hun. "Jeg var veldig privilegert som fikk være her som utdannet student, og gjorde eksperimenter med noen av verdens beste fysikere og med den mest avanserte kollideren som fantes på den tiden. Hvor heldig kan man være? Diktet 'Ithaca' av den greske poeten Konstantin Cavafys kommer til tankene. Han skriver ‘Ithaca ga deg den fantastiske reisen.’» Kanskje dette inspirerer til en mer personlig side av hennes oppdrag som regissør, da hun understreker at hun nå ønsker å gi andre unge forskere lignende muligheter. Og i tillegg til å betale videre, ønsker hun å hedre arven fra tidligere generasjoner av fysikere og de tidligere direktørene i Fermilab.

Jeg føler ansvar og takknemlighet, og mye optimisme for at vi kan fortsette denne banen

Lia Merminga

Når vi ser tilbake, virker det serendipitalt at en av de tidligere regissørene, Leon Lederman, er i bakgrunnen på bildet som viser Mermingas onkel. "Vi står på skuldrene til kjemper," sier hun. "Jeg føler dette store ansvaret for å fortsette tradisjonen med at Fermilab er denne flotte institusjonen anerkjent over hele verden for innovasjon og banebrytende oppdagelser. Jeg føler ansvar og takknemlighet, og mye optimisme om at vi kan fortsette denne banen.»