Lia Merminga: regisserar Fermilabs framtid

Lia Merminga har just tagit upp en stor mantel i den vetenskapliga världen. I april, den kända acceleratorn fysiker tog över som direktör av Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) – ett av de mest ikoniska forskningscentra för partikelfysik i världen. Att nå det toppjobbet är en monumental prestation, och Merminga reflekterar över vägen som ledde henne till att bli chef för det institut där hennes resa i acceleratorfysik först började.

När hon växte upp i sitt hemland Grekland, där hon föddes 1960, hade Merminga ett beslut från barndomen att ägna sig åt vetenskap. En av hennes tidigaste inspirationer var faktiskt att höra sin familj berätta historier om sin farbror, George Dousmanis, som hade en doktorsexamen i fysik från Columbia University. "Han var legendarisk i min familj", minns hon. "Jag har ett fascinerande foto av honom som doktorand med [nobelprisbelönta fysiker] Leon Lederman och Tsung-Dao Lee i bakgrunden." Mermingas intresse för vetenskap förstärktes ytterligare av en biografi om Marie Curie, som hon läste vid 13 års ålder, och en utmärkt kvinnlig fysiklärare hon hade i gymnasieskolan. "Jag kände att det här var ett liv värt att leva", säger hon, "att ägna sig åt vetenskap med ett så unikt syfte, föra fram kunskap och ha en enorm inverkan på samhället".

Efter att ha avslutat skolan fortsatte Merminga med att studera fysik vid Atenas universitet. Under sitt tredje år var hennes handledare professor i teoretisk partikelfysik och Merminga bestämde sig för att det var den vetenskapsgren hon ville gå in på. "Det blir inte djupare än så", förklarar hon, "bara att förstå de mest grundläggande beståndsdelarna och interaktionerna i materien."

Hon siktade in sig på forskarstudier vid University of Michigan Ann Arbor, USA, med avsikt att studera teoretisk partikelfysik. Mermingas ansökan blev framgångsrik och 1983 flyttade hon över världen för att följa sina akademiska drömmar.

Merminga gick kurser och gjorde några forskningsprojekt inom sin valda disciplin. Men hon fann till slut att teoretisk partikelfysik inte var så glädjande som hon hade föreställt sig, på grund av de långa tidsskalorna mellan att utveckla en teori och att kunna testa den experimentellt. Efter att ha lärt sig om ett doktorandprogram i acceleratorvetenskap på Fermilab, besökte hon forskningsinstitutet för första gången. Detta visade sig vara ett avgörande ögonblick i hennes karriär.

Accelererande vetenskap

Partikelacceleratorer driver strålar av laddade partiklar – från protoner och elektroner till joner – med mycket höga hastigheter, nära ljusets. Acceleratorvetenskapen fokuserar på att designa, driva och optimera dessa enorma maskiner för att möjliggöra partikelfysik och många andra vetenskapliga områden. Forskare arbetar ständigt med att förbättra vår förmåga att styra och rikta strålar, snarare än att bara titta på resultatet av kollisioner.

"Tidsskalorna för dessa experiment är mycket kortare än i partikelfysik," förklarar Merminga. "Det tilltalade mig. Jag skulle kunna utveckla teorier och testa dem och få mer omedelbara resultat.” Så hon gick med på doktorandprogrammet på Fermilab och arbetade med Tevatron – världens dåvarande kolliderare med högst energi.

För att optimera kollisioner är det viktigt att kunna förutsäga och kontrollera strålen av partiklar i kollidertunneln, särskilt i närvaro av icke-välstuderade olinjära effekter. För sitt doktorandprojekt använde Merminga teoretiska formalismer och experimentella data från Tevatron för att studera hur stråldynamiken reagerade på det magnetiska systemet som användes för att styra och fokusera det, särskilt där olinjäritet blev en viktig begränsande faktor för prestanda. Hennes arbete informerade designen av Superconducting Super Collider, som planerades vid den tiden.

Efter att ha avslutat sin doktorsexamen – då hon bara blev den andra studenten som tog examen från det specifika programmet vid den tiden – gick Merminga till jobbet på Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Sedan dess har hon tillbringat en karriär med att bli expert inom flera områden av acceleratorvetenskap. Hon har faktiskt haft flera ledarroller, inklusive chef för acceleratordivisionen på TRIUMF, Kanadas partikelacceleratorcenter.

Projektprioriteringar

Medan Merminga gick framåt i sin karriär förändrades också Fermilab. 2011, efter nästan 30 år av kolliderande protoner och antiprotoner, stängdes Tevatron. Detta markerade en betydande förändring i labbets fokus bort från högenergiexperiment. En del av logiken bakom denna förändring kom från partikelfysikens internationella karaktär – eftersom inget enskilt land har kapacitet att göra alla experiment, är det vettigt för de stora forskningsanläggningarna att undersöka olika områden.

Genom 2011, CERNÄr Large Hadron Collider var igång med högre energier än Tevatronen; så Fermilab såg möjligheten att ta ledningen i högintensiva experiment istället. De senare är särskilt viktiga för att studera neutriner; dessa små partiklar har extremt låga interaktionshastigheter, så för att observera sådana händelser är det viktigt att generera enorma mängder av dem.

Under 2015, för att stödja nya experiment, började Fermilab bygga Protonförbättringsplan-II (PIP-II), och Merminga återvände till henne alma mater att leda projektet. PIP-II är en 215 m lång linjär accelerator som kommer att fungera som hjärtat i Fermilabs nya acceleratorkomplex och bidra till flera nya experiment. Ett av PIP-II:s huvudmål är att skapa den mest intensiva strålen av neutriner i världen, genom att sända sin intensiva protonstråle in i ett grafitmål. Dessa neutrinos kommer att skickas genom de två Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) detektorer, som för närvarande är under uppbyggnad – en vid Fermilab och den andra 1300 km bort i South Dakota.

Anledningen till att de ligger så långt bort är att neutriner finns i tre "smaker" - elektron, muon och tau - och de uppvisar det konstiga beteendet att "pendla" mellan dessa typer när de reser. Det stora avståndet mellan de två detektorerna ökar deras känslighet för dessa svängningar, och detta beteende kan ha djupgående konsekvenser för hela universum. Fysiker tror att det kan finnas en skillnad i hur neutrinos och antineutrinos pendlar mellan sina smaker, vilket skulle indikera ett brott mot materia-antimateria-symmetri (C-P-överträdelse) och fysik bortom standardmodellen. En sådan skillnad kan till och med vara nyckeln till varför det finns mer materia än antimateria i universum – ett avgörande villkor för vår egen existens.

Jag skulle älska att se DUNE nå det definitiva svaret på neutrinoscillationer och C–P-överträdelser så snabbt som möjligt eftersom det är relaterat till materia–antimateriaasymmetri och varför vi överhuvudtaget är här

Lia Merminga

Så Merminga hoppas att neutrinostudierna som drivs av PIP-II kommer att belysa denna stora fråga. "Jag skulle älska att se DUNE nå det definitiva svaret på neutrinoscillationer och C–P-överträdelser så snabbt som möjligt", säger hon, "eftersom det är relaterat till materia-antimateriaasymmetri och varför vi ens är här överhuvudtaget."

Merminga är också entusiastisk över den associerade tekniken, såsom supraledande radiofrekvensteknik (SRF) – där Fermilab är världsledande – och hon är angelägen om att se hur långt institutet kan tänja på gränserna där. SRF förbättrar acceleratorns prestanda genom att undvika den energiförlust som normalt uppstår genom motstånd mot strömmar i acceleratorns väggar. PIP-II:s strukturer kommer att tillverkas av supraledande niob och kylas till 2 K för att dra fördel av denna egenskap.

Nu när hon är direktör för Fermilab som helhet, snarare än för PIP-II specifikt, kommer Merminga inte att vara fullt så nära involverad i det som hon var tidigare, men hon har för avsikt att hänga med i dess framsteg och förblir passionerad för projektet . "När den är klar kommer den att användas i ytterligare 50 år av generationer som kommer efter mig", säger hon. "Det är kraftfullt att bidra till något av bestående värde."

Trailblazer

Medan den vetenskapliga kunskapen har utvecklats, har världen omkring den också gjort det. Kanske är det faktum att Fermilab leds av en kvinna för första gången ett bevis på dessa förändringar. Personligen tycker Merminga inte att hennes kön har varit ett hinder i hennes karriär, och hon betonar kraften i teknisk skicklighet.

”När jag är den enda kvinnan i ett rum”, förklarar hon, ”om jag ger rätt svar eller har rätt insikter kommer de att sluta tänka på mig som kvinna och fokusera på det jag bidrar med. Det är så jag har hanterat det här i min karriär. Var väldigt bra på det du gör och de måste lyssna på dig förr eller senare.” Ändå anser hon att underrepresentationen av kvinnor i fysik måste förändras, och tillägger att team är mycket mer slagkraftiga och effektiva när de har fler olika perspektiv att dra nytta av.

Merminga tillskriver mycket av sitt självförtroende att hon har gått i en skola för flickor, och noterar att pojkar ibland kan vara mer självsäkra. "Fram till jag var 18 var jag i en miljö som var lite skyddad", säger hon. "Det hjälpte mig att bygga upp självförtroendet för mig själv. När jag gick på universitetet var bara 10 % av studenterna kvinnor, men då hade jag byggt upp tillräckligt med självförtroende för att det inte spelade någon roll.”

Merminga tror därför att fysikprogram endast för flickor kan hjälpa flickor att känna sig mer bemyndigade att studera ämnet. Men hon säger att vi behöver en mångsidig lösning som också tar upp de praktiska problem som människor möter under hela sin karriär. Fermilab har till exempel dagis på plats som gör att föräldrar lättare kan fokusera på sina jobb.

En annan viktig faktor är förstås att öka synligheten för kvinnor i ämnet. Merminga noterar att detta var till hjälp för henne, efter att ha inspirerats av sin kvinnliga fysiklärare när hon gick i skolan, och senare av Helen Edwards, den ledande fysikern i konstruktionen av Tevatron. "Att se någon i aktion är väldigt kraftfullt", säger hon.

Lyckligtvis har detta förbättrats ytterligare de senaste åren. Sedan 2016, den experimentella partikelfysikern Fabiola Gianotti har varit generaldirektör för CERN, också den första kvinnan att inneha den positionen. När Merminga tar över rodret på Fermilab, är två av de högst profilerade jobben inom fysik nu upptagna av kvinnor. Så även om det fortfarande finns arbete kvar att göra känns det här som en betydande milstolpe.

Formulerar framtiden

Även om Merminga har lett stora projekt och program tidigare, är det en ny utmaning för henne att leda ett så stort institut som Fermilab, eftersom den större skalan innebär ökad komplexitet. Men hon tror att de grundläggande principerna för ledarskap och ledning av en stor vetenskaplig enhet förblir desamma.

”Det är viktigt att ha en tydlig vision”, säger hon, ”och att kunna formulera den för varje anställd; att ha en plan för att förverkliga den visionen; och att hålla mig själv och alla andra ansvariga för att klara det."

Så vad är Mermingas vision för Fermilab? Detta är något som hon fortfarande håller på att formulera, efter att bara ha tagit över, och hon är angelägen om att överväga många perspektiv. En av de första åtgärder hon vidtog i april var att ge sig ut på en ”lyssningsturné”, för att höra från labbanställda och Fermilabs användargemenskap. Medan detaljerna fortfarande är under arbete, beskriver hon de breda dragen i hennes ambition för Fermilab är att det ska "leda världen inom partikelfysik och acceleratorvetenskap, teknologi och innovation, underbyggd av en mångfaldig arbetskraft i världsklass; genom utmärkta och robusta verksamheter och affärssystem; genom en hållbar campusstrategi integrerad med vårt uppdrag; och genom att uthärda och möjliggöra partnerskap, regionala, nationella och internationella.”

När hon reflekterar över sin karriär säger hon att hon har många känslor inför att bli chef för det institut där hon först började med acceleratorvetenskap. "Jag ska sammanfatta det i två ord: djup tacksamhet", säger hon. "Jag var väldigt privilegierad att vara här som student, göra experiment med några av världens bästa fysiker och med den mest avancerade kollideraren som fanns på den tiden. Hur lycklig kan man ha? Dikten 'Ithaca' av den grekiske poeten Konstantin Cavafys kommer att tänka på. Han skriver 'Ithaca gav dig den fantastiska resan'.” Kanske inspirerar detta till en mer personlig sida av hennes uppdrag som regissör, ​​eftersom hon betonar att hon nu vill ge andra unga forskare liknande möjligheter. Och förutom att betala vidare, vill hon hedra arvet från tidigare generationer av fysiker och de tidigare direktörerna för Fermilab.

Jag känner ansvar och tacksamhet, och mycket optimism över att vi kan fortsätta den här banan

Lia Merminga

När man ser tillbaka, verkar det otäckt att en av dessa tidigare regissörer, Leon Lederman, är i bakgrunden på bilden som föreställer Mermingas farbror. "Vi står på jättarnas axlar", säger hon. "Jag känner detta stora ansvar att fortsätta traditionen med att Fermilab är denna fantastiska institution som är erkänd över hela världen för innovation och banbrytande upptäckter. Jag känner ansvar och tacksamhet, och mycket optimism att vi kan fortsätta denna bana.”