Lia Merminga: kierowanie przyszłością Fermilab

Lia Merminga właśnie objął główną rolę w świecie naukowym. W kwietniu znany fizyk akceleratorów objął stanowisko dyrektora ukończenia Narodowe Laboratorium Akceleratorowe Fermi (Fermilab) – jeden z najbardziej kultowych ośrodków badawczych fizyki cząstek elementarnych na świecie. Osiągnięcie tego najwyższego stanowiska jest monumentalnym osiągnięciem, a Merminga zastanawia się nad ścieżką, która doprowadziła ją do objęcia stanowiska szefa instytutu, w którym rozpoczęła się jej przygoda z fizyką akceleratorów.

Dorastając w swoim rodzinnym kraju, Grecji, gdzie urodziła się w 1960 r., Merminga od dzieciństwa postanowiła zajmować się nauką. Rzeczywiście, jedną z jej najwcześniejszych inspiracji było słuchanie, jak jej rodzina opowiada historie o jej wujku, George'u Dousmanisie, który miał doktorat z fizyki z Columbia University. „Był legendą w mojej rodzinie” — wspomina. „Mam fascynujące zdjęcie przedstawiające go jako studenta z [nagrodzonymi Nagrodą Nobla fizykami] Leon lederman i Tsung Dao Lee w tle." Zainteresowanie Mermingi nauką dodatkowo wzmocniła biografia Marie Curie, którą przeczytała w wieku 13 lat, oraz znakomitą nauczycielkę fizyki, którą miała w szkole średniej. „Czułam, że warto żyć” – mówi – „poświęcając się nauce w tak szczególnym celu, poszerzaniu wiedzy i wywieraniu ogromnego wpływu na społeczeństwo”.

Po ukończeniu szkoły Merminga studiował fizykę na Uniwersytecie im Uniwersytet w Atenach. Na trzecim roku promotorem jej pracy magisterskiej był profesor teoretycznej fizyki cząstek elementarnych i Merminga zdecydowała, że ​​jest to dziedzina nauki, którą chce się zajmować. „Nie ma nic głębszego” — wyjaśnia — „po prostu zrozumienie najbardziej podstawowych składników i interakcji materii”.

Postawiła sobie za cel studia podyplomowe na Uniwersytecie im University of Michigan Ann Arbor, USA, z zamiarem studiowania teoretycznej fizyki cząstek elementarnych. Aplikacja Mermingi zakończyła się sukcesem iw 1983 roku przeniosła się na drugi koniec świata, aby spełnić swoje akademickie marzenia.

Merminga brała udział w kursach i realizowała projekty badawcze w wybranej przez siebie dyscyplinie. Ostatecznie jednak odkryła, że ​​teoretyczna fizyka cząstek elementarnych nie była tak satysfakcjonująca, jak sobie wyobrażała, ze względu na długie ramy czasowe między opracowaniem teorii a możliwością jej eksperymentalnego przetestowania. Po zapoznaniu się z programem studiów podyplomowych w zakresie nauki o akceleratorach w Fermilab, po raz pierwszy odwiedziła instytut badawczy. Okazało się, że był to przełomowy moment w jej karierze.

Przyspieszenie nauki

Akceleratory cząstek napędzają wiązki naładowanych cząstek – od protonów i elektronów po jony – z bardzo dużymi prędkościami, bliskimi prędkości światła. Nauka o akceleratorach koncentruje się na projektowaniu, obsłudze i optymalizacji tych ogromnych maszyn, aby umożliwić fizyce cząstek elementarnych i wielu innym dziedzinom nauki. Naukowcy nieustannie pracują nad poprawą naszej zdolności kontrolowania i kierowania wiązek, zamiast po prostu przyglądać się wynikom kolizji.

„Skala czasowa tych eksperymentów jest znacznie krótsza niż w przypadku fizyki cząstek elementarnych” — wyjaśnia Merminga. „To mi się spodobało. Mógłbym rozwijać teorie i testować je, uzyskując szybsze wyniki”. Dołączyła więc do programu doktoranckiego w Fermilab, pracując nad Tevatron - ówczesny zderzacz o najwyższej energii na świecie.

Aby zoptymalizować kolizje, ważna jest umiejętność przewidywania i kontrolowania wiązki cząstek w tunelu zderzacza, zwłaszcza w obecności słabo zbadanych efektów nieliniowych. W swoim projekcie doktorskim Merminga wykorzystała formalizmy teoretyczne i dane eksperymentalne z Tevatronu, aby zbadać, w jaki sposób dynamika wiązki reagowała na system magnetyczny używany do jej sterowania i skupiania, zwłaszcza tam, gdzie nieliniowość stała się kluczowym czynnikiem ograniczającym wydajność. Jej praca wpłynęła na projekt nadprzewodzącego superzderzacza, który był wówczas planowany.

Po ukończeniu doktoratu – będąc wówczas dopiero drugą studentką, która ukończyła ten konkretny program – Merminga podjęła pracę w Centrum akceleratorów liniowych Stanford (SLAC). Od tego czasu spędziła karierę, stając się ekspertem w wielu obszarach nauki o akceleratorach. Rzeczywiście, pełniła kilka funkcji kierowniczych, w tym szefa działu akceleratorów w firmie TRIUMF, kanadyjskie centrum akceleratorów cząstek.

Priorytety projektu

Podczas gdy Merminga rozwijała się w swojej karierze, Fermilab również się zmieniał. W 2011 roku, po prawie 30 latach zderzeń protonów i antyprotonów, Tevatron został wyłączony. Oznaczało to znaczące przesunięcie uwagi laboratorium z eksperymentów wysokoenergetycznych. Częściowe uzasadnienie tej zmiany wynikało z międzynarodowego charakteru fizyki cząstek elementarnych – ponieważ żaden pojedynczy kraj nie jest w stanie przeprowadzić wszystkich eksperymentów, sensowne jest, aby duże ośrodki badawcze badały różne obszary.

Według 2011, CERN'S Wielki Zderzacz Hadronów działał z wyższymi energiami niż Tevatron; więc Fermilab dostrzegł okazję, by zamiast tego objąć prowadzenie w eksperymentach o wysokiej intensywności. Te ostatnie są szczególnie ważne w badaniu neutrin; te maleńkie cząstki mają bardzo niskie współczynniki interakcji, więc aby obserwować takie zdarzenia, konieczne jest wygenerowanie ich ogromnych ilości.

W 2015 roku, aby wesprzeć nowe eksperymenty, Fermilab rozpoczął budowę Plan ulepszeń protonów-II (PIP-II), a Merminga wróciła do niej alma mater prowadzić projekt. PIP-II to akcelerator liniowy o długości 215 m, który posłuży jako serce nowego kompleksu akceleratorów Fermilab i przyczyni się do wielu nowych eksperymentów. Jednym z głównych celów PIP-II jest stworzenie najintensywniejszej wiązki neutrin na świecie poprzez wystrzelenie jej intensywnej wiązki protonów w grafitowy cel. Te neutrina zostaną wysłane przez te dwa Głęboko podziemny eksperyment neutrinowy (DUNE), które są obecnie w budowie – jeden w Fermilab, a drugi w oddalonej o 1300 km Południowej Dakocie.

Powodem, dla którego znajdują się tak daleko, jest to, że neutrina występują w trzech „smakach” – elektronowym, mionowym i taonowym – i wykazują dziwne zachowanie „oscylowania” między tymi typami podczas podróży. Duża odległość między dwoma detektorami zwiększa ich wrażliwość na te oscylacje, przy czym takie zachowanie może mieć poważne implikacje dla całego wszechświata. Fizycy uważają, że może istnieć różnica w sposobie, w jaki neutrina i antyneutrina oscylują między swoimi smakami, co wskazywałoby na naruszenie symetrii materia-antymateria (pogwałcenie C-P) i fizykę wykraczającą poza Model Standardowy. Taka różnica może być nawet kluczem do wyjaśnienia, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii – co jest kluczowym warunkiem naszego własnego istnienia.

Chciałbym zobaczyć, jak DUNE osiąga ostateczną odpowiedź na oscylacje neutrin i łamanie C – P tak szybko, jak to możliwe, ponieważ jest to związane z asymetrią materii i antymaterii i dlaczego w ogóle tu jesteśmy

Lia Merminga

Merminga ma więc nadzieję, że badania neutrin prowadzone przez PIP-II rzucą światło na to wielkie pytanie. „Chciałabym zobaczyć, jak DUNE osiąga ostateczną odpowiedź na oscylacje neutrin i łamanie C-P tak szybko, jak to możliwe”, mówi, „ponieważ jest to związane z asymetrią materii i antymaterii i dlaczego w ogóle tu jesteśmy”.

Merminga jest również podekscytowana powiązaną technologią, taką jak nadprzewodnikowa technologia o częstotliwości radiowej (SRF) – w której Fermilab jest światowym liderem – i chce zobaczyć, jak daleko instytut może przesunąć tam granice. SRF poprawia wydajność akceleratora, unikając strat energii, które zwykle występują w wyniku oporu wobec prądów w ścianach akceleratora. Struktury PIP-II będą wykonane z nadprzewodzącego niobu i schłodzone do 2 K, aby wykorzystać tę właściwość.

Teraz, gdy jest dyrektorem całego Fermilabu, a nie konkretnie PIP-II, Merminga nie będzie już tak bardzo zaangażowana w projekt jak wcześniej, ale zamierza nadążać za jego postępami i pozostaje pasjonatem projektu . „Kiedy zostanie ukończona, będzie używana przez kolejne 50 lat przez pokolenia, które przyjdą po mnie” — mówi. „Wniesienie wkładu w coś o trwałej wartości ma moc”.

Trailblazer

Wiedza naukowa rozwijała się, podobnie jak otaczający ją świat. Być może świadczy o tym fakt, że Fermilab po raz pierwszy prowadzony jest przez kobietę. Osobiście Merminga nie uważa, że ​​jej płeć była przeszkodą w jej karierze i podkreśla siłę biegłości technicznej.

„Kiedy jestem jedyną kobietą w pokoju”, wyjaśnia, „jeśli udzielę właściwych odpowiedzi lub uzyskam właściwe spostrzeżenia, przestaną myśleć o mnie jako o kobiecie i skupią się na tym, co wnoszę. Tak sobie z tym radziłem w swojej karierze. Bądź bardzo dobry w tym, co robisz, a prędzej czy później będą musieli cię słuchać”. Niemniej jednak wierzy, że niedostateczna reprezentacja kobiet w fizyce musi się zmienić, dodając, że zespoły mają znacznie większy wpływ i skuteczność, gdy mają bardziej zróżnicowane perspektywy, z których mogą korzystać.

Merminga przypisuje dużą część swojej pewności siebie uczęszczaniu do szkoły dla dziewcząt, zauważając, że chłopcy mogą czasami być bardziej asertywni. „Do 18 roku życia przebywałam w środowisku, które było trochę chronione” — mówi. „To pomogło mi zbudować pewność siebie. Kiedy poszedłem na uniwersytet, tylko 10% studentów stanowiły kobiety, ale do tego czasu zbudowałem wystarczającą pewność siebie, że to nie miało znaczenia”.

Dlatego Merminga uważa, że ​​programy z fizyki przeznaczone wyłącznie dla dziewcząt mogą pomóc dziewczętom poczuć się bardziej upoważnionymi do studiowania tego przedmiotu. Mówi jednak, że potrzebujemy wielostronnego rozwiązania, które rozwiązuje również praktyczne problemy, z którymi ludzie borykają się w trakcie swojej kariery. Na przykład Fermilab zapewnia opiekę dzienną na miejscu, co pozwala rodzicom łatwiej skoncentrować się na pracy.

Innym ważnym czynnikiem jest oczywiście zwiększenie widoczności kobiet w temacie. Merminga zauważa, że ​​było to dla niej pomocne, ponieważ zainspirowała ją jej nauczycielka fizyki, kiedy była w szkole, a później Helen Edwards, główna fizyk przy budowie Tevatronu. „Obserwowanie kogoś w akcji ma wielką moc” — mówi.

Na szczęście w ostatnich latach uległo to dalszej poprawie. Od 2016 eksperymentalny fizyk cząstek elementarnych Fabiola Gianotti była dyrektorem generalnym CERN, a także pierwszą kobietą na tym stanowisku. Kiedy Merminga przejmuje stery w Fermilab, dwa najbardziej prestiżowe stanowiska w fizyce są teraz zajmowane przez kobiety. Więc chociaż wciąż jest wiele do zrobienia, wydaje się to znaczącym kamieniem milowym.

Formułowanie przyszłości

Chociaż Merminga prowadziła już wcześniej duże projekty i programy, kierowanie tak dużym instytutem jak Fermilab jest dla niej nowym wyzwaniem, ponieważ większa skala oznacza dodatkową złożoność. Uważa jednak, że fundamentalne zasady przywództwa i kierowania dużą jednostką naukową pozostają niezmienne.

„Ważne jest, aby mieć jasną wizję” — mówi — „i móc ją przedstawić każdemu pracownikowi; mieć plan realizacji tej wizji; i pociągnąć siebie i wszystkich innych do odpowiedzialności za jej wykonanie”.

Jaka jest więc wizja Mermingi dla Fermilabu? Jest to coś, co wciąż formułuje, dopiero co przejęła i jest chętna do rozważenia wielu perspektyw. Jednym z pierwszych działań, które podjęła w kwietniu, było rozpoczęcie „wycieczki słuchającej”, aby usłyszeć od pracowników laboratorium i społeczności użytkowników Fermilab. Podczas gdy szczegóły wciąż trwają, opisuje ogólne ambicje Fermilab, aby „przewodził światu w fizyce cząstek elementarnych i nauce o akceleratorach, technologii i innowacjach, wspierany przez zróżnicowaną i światowej klasy siłę roboczą; dzięki doskonałym i niezawodnym operacjom i systemom biznesowym; poprzez zrównoważoną strategię kampusu zintegrowaną z naszą misją; oraz poprzez trwałe i umożliwiające tworzenie partnerstw regionalnych, krajowych i międzynarodowych”.

Zastanawiając się nad swoją karierą, mówi, że ma wiele uczuć związanych z objęciem stanowiska dyrektora instytutu, w którym zaczynała swoją przygodę z nauką o akceleratorach. „Podsumuję to w dwóch słowach: głęboka wdzięczność” — mówi. „Miałem wielki zaszczyt być tutaj jako student, przeprowadzając eksperymenty z jednymi z najlepszych fizyków na świecie iz najbardziej zaawansowanym zderzaczem, jaki istniał w tamtym czasie. Ile można mieć szczęścia? Przychodzi mi na myśl wiersz „Itaka” greckiego poety Konstantyna Kawafisa. Pisze: „Itaka dała ci cudowną podróż”. Być może inspiruje to bardziej osobistą stronę jej misji jako dyrektora, ponieważ podkreśla, że ​​teraz chce dać podobne możliwości innym młodym naukowcom. Oprócz płacenia dalej, chce uhonorować spuściznę poprzednich pokoleń fizyków i byłych dyrektorów Fermilabu.

Czuję odpowiedzialność i wdzięczność oraz dużo optymizmu, że możemy kontynuować tę trajektorię

Lia Merminga

Patrząc wstecz, wydaje się nieoczekiwane, że jeden z tych byłych reżyserów, Leon Lederman, jest w tle zdjęcia przedstawiającego wuja Mermingi. „Stoimy na ramionach gigantów” – mówi. „Czuję wielką odpowiedzialność za kontynuację tradycji Fermilabu jako tej wspaniałej instytucji uznawanej na całym świecie za innowacyjność i przełomowe odkrycia. Czuję odpowiedzialność i wdzięczność oraz dużo optymizmu, że możemy kontynuować tę trajektorię”.