Лія Мермінга щойно став сьомим директором Національної прискорювальної лабораторії Фермі в США. Вона розмовляє з Лаурою Гіскотт про науку про прискорювачі, майбутнє фізики елементарних частинок і про те, що вона стала першою жінкою, яка очолила цей знаковий і впливовий дослідницький центр.
Лія Мермінга щойно зайняв головну роль у науковому світі. У квітні відомий фізик-прискорювач зайняв посаду директора в Національна прискорювальна лабораторія Фермі (Fermilab) – один із найвідоміших дослідницьких центрів фізики елементарних частинок у світі. Досягнення цієї вищої посади є монументальним досягненням, і Мермінга розмірковує про шлях, який привів її до того, щоб стати керівником інституту, де вперше почалася її подорож у фізиці прискорювачів.
Зростаючи у своїй рідній країні Греції, де вона народилася в 1960 році, Мермінга з дитинства мала рішучість займатися наукою. Дійсно, одним із найперших її натхнень були розповіді її сім’ї про її дядька Георгія Дусманіса, який мав ступінь доктора філософії з фізики Колумбійський університет. «Він був легендарним у моїй родині, — згадує вона. «У мене є захоплююча фотографія, на якій він був аспірантом із [фізиками-нобелівськими лауреатами] Леон Ледерман та Цун-Дао Лі у фоновому режимі." Інтерес Мермінги до науки був ще більше активізований біографією Марії Кюрі, яку вона прочитала в 13 років, і була чудовою вчителькою фізики в середній школі. «Я відчула, що це життя, яке варте того, щоб прожити, — каже вона, — присвятити себе науці з такою унікальною метою, поширювати знання та мати величезний вплив на суспільство».
Після закінчення школи Мермінга продовжив вивчати фізику Афінський університет. На третьому курсі її науковим керівником був професор теоретичної фізики елементарних частинок, і Мермінга вирішила, що це та галузь науки, якою вона хоче займатися. «Це не стає глибшим, ніж це, — пояснює вона, — просто розуміння найфундаментальніших складових і взаємодії матерії».
Вона націлилася на аспірантуру ім Університет Мічигану Ен-Арбор, США, з наміром вивчати теоретичну фізику елементарних частинок. Заявка Мермінги була успішною, і в 1983 році вона переїхала по всьому світу, щоб слідувати своїй академічній мрії.
Мермінга відвідувала курси та виконала кілька дослідницьких проектів у обраній дисципліні. Але зрештою вона виявила, що теоретична фізика елементарних частинок не така приємна, як вона собі уявляла, через тривалий проміжок часу між розробкою теорії та можливістю її експериментального тестування. Дізнавшись про аспірантську програму з прискорювальної науки в Fermilab, вона вперше відвідала науково-дослідний інститут. Це виявився ключовим моментом у її кар'єрі.
Прискорення науки
Прискорювачі частинок рухають пучки заряджених частинок – від протонів і електронів до іонів – на дуже високих швидкостях, близьких до швидкості світла. Наука про прискорювачі зосереджена на розробці, експлуатації та оптимізації цих величезних машин для фізики елементарних частинок та багатьох інших галузей науки. Дослідники постійно працюють над удосконаленням нашої здатності контролювати та направляти промені, а не просто дивитися на результат зіткнень.
«Часові рамки для цих експериментів набагато коротші, ніж у фізиці елементарних частинок», — пояснює Мермінга. «Це мені сподобалося. Я міг би розробити теорії, перевірити їх і отримати більш швидкі результати». Тому вона приєдналася до докторської програми в Fermilab, працюючи над Теватрон – найенергетичніший колайдер у світі на той час.
Для оптимізації зіткнень важливо мати можливість прогнозувати та контролювати пучок частинок у тунелі колайдера, особливо за наявності недостатньо добре вивчених нелінійних ефектів. Для свого докторського проекту Мермінга використала теоретичні формалізми та експериментальні дані Теватрона, щоб вивчити, як динаміка променя реагує на магнітну систему, яка використовується для його керування та фокусування, особливо там, де нелінійність стала ключовим обмежуючим фактором продуктивності. Її робота вплинула на проект надпровідного суперколлайдера, який планувався в той час.
Отримавши ступінь доктора філософії – ставши на той час лише другою студенткою, яка закінчила цю спеціальну програму – Мермінга пішла працювати в Стенфордський центр лінійних прискорювачів (SLAC). Відтоді вона провела кар’єру, ставши експертом у багатьох галузях науки про прискорювачі. Дійсно, вона обіймала кілька керівних посад, у тому числі керівника відділу прискорювачів у ТРІУМФ, Канадський центр прискорювачів частинок.
Пріоритети проекту
У той час як Мермінга просувала свою кар’єру, Фермілаб також змінювалася. У 2011 році, після майже 30 років зіткнення протонів і антипротонів, Теватрон був закритий. Це ознаменувало значне зміщення уваги лабораторії від експериментів з високою енергією. Частково обґрунтування цієї зміни походить від міжнародного характеру фізики елементарних частинок – оскільки жодна країна не має можливості проводити всі експерименти, має сенс, щоб великі дослідницькі установи досліджували різні сфери.
За 2011, CERNАвтора Великий адронний коллайдер був запущений і працював на вищих енергіях, ніж Теватрон; тому Фермілаб побачив можливість взяти на себе лідерство в експериментах високої інтенсивності. Останні особливо важливі для вивчення нейтрино; ці крихітні частинки мають надзвичайно низьку швидкість взаємодії, тому для спостереження за будь-якими такими подіями важливо генерувати їх величезну кількість.
У 2015 році для підтримки нових експериментів Fermilab почала будувати План вдосконалення Proton-II (PIP-II), і Мермінга повернувся до неї альма-матер керувати проектом. PIP-II — лінійний прискорювач довжиною 215 м, який стане серцем нового прискорювального комплексу Fermilab і сприятиме проведенню багатьох нових експериментів. Однією з головних цілей PIP-II є створення найінтенсивнішого пучка нейтрино у світі шляхом запуску його інтенсивного пучка протонів у графітову мішень. Ці нейтрино будуть надсилатися через два Глибокий підземний експеримент нейтрино (DUNE), які зараз будуються – один у Фермілабі, а інший – за 1300 км у Південній Дакоті.
Причина такого далекого розташування полягає в тому, що нейтрино буває трьох «ароматів» — електронів, мюонів і тау — і вони демонструють дивну поведінку, коливаючись між цими типами під час подорожі. Велика відстань між двома детекторами підвищує їхню чутливість до цих коливань, і така поведінка потенційно може мати глибокі наслідки для всього Всесвіту. Фізики вважають, що може існувати різниця в тому, як нейтрино та антинейтрино коливаються між їхніми смаками, що вказуватиме на порушення симетрії матерії та антиматерії (порушення C–P) і фізику поза Стандартною моделлю. Така різниця може бути навіть ключем до того, чому у Всесвіті більше матерії, ніж антиматерії – вирішальної умови нашого власного існування.
Я хотів би побачити, як DUNE якнайшвидше знайде остаточну відповідь на осциляції нейтрино та порушення C–P, тому що це пов’язано з асиметрією матерії та антиматерії, і чому ми взагалі тут.
Лія Мермінга
Тож Мермінга сподівається, що дослідження нейтрино на основі PIP-II проллють світло на це велике питання. «Я хотіла б побачити, як DUNE якомога швидше знайде остаточну відповідь на осциляції нейтрино та порушення C–P, — каже вона, — тому що це пов’язано з асиметрією матерія-антиматерія, і чому ми взагалі тут».
Мермінгу також захоплюють відповідні технології, такі як технологія надпровідних радіочастот (SRF), у якій Fermilab є світовим лідером, і вона хоче побачити, наскільки інститут може розсунути межі цього. SRF покращує продуктивність прискорювача, уникаючи втрати енергії, яка зазвичай виникає через опір струмам у стінках прискорювача. Структури PIP-II будуть виготовлені з надпровідного ніобію та охолоджені до 2 K, щоб скористатися цією властивістю.
Тепер, коли вона є директором лабораторії Fermilab в цілому, а не PIP-II окремо, Мермінга не буде так активно залучена до цього, як раніше, але вона має намір йти в ногу з його прогресом і продовжує пристрасно ставитися до проекту. . «Коли він буде закінчений, він буде використовуватися ще 50 років поколіннями, які прийдуть після мене», — каже вона. «Це потужно — робити внесок у щось довготривале».
Trailblazer
У той час як наукові знання прогресують, світ навколо них також розвивається. Можливо, той факт, що Fermilab вперше очолює жінка, є свідченням цих змін. Особисто Мермінга не вважає, що її стать є перешкодою в її кар’єрі, і вона наголошує на силі технічної майстерності.
«Коли я єдина жінка в кімнаті, — пояснює вона, — якщо я даю правильні відповіді або маю правильні висновки, вони перестануть думати про мене як про жінку й зосередяться на тому, що я внеску. Ось як я справлявся з цим у своїй кар’єрі. Будьте дуже хороші в тому, що ви робите, і вони рано чи пізно змушені будуть вас слухати». Тим не менш, вона вважає, що недопредставленість жінок у фізиці має змінитися, додаючи, що команди є набагато більш впливовими та ефективними, коли вони мають більше різноманітних точок зору, на які можна спиратися.
Мермінга приписує велику частину своєї впевненості відвідуванню школи для дівчаток, зауважуючи, що хлопчики іноді можуть бути більш наполегливими. «До 18 років я була в дещо захищеному середовищі», — каже вона. «Це допомогло мені розвинути впевненість у собі. Коли я вступив до університету, лише 10% студентів були жінками, але на той час я набув достатньо впевненості, що це не мало значення».
Тому Мермінга вважає, що програми з фізики лише для дівчат можуть допомогти дівчатам відчути більше можливостей для вивчення предмету. Але вона каже, що нам потрібне багатоаспектне рішення, яке також вирішує практичні проблеми, з якими люди стикаються протягом своєї кар’єри. Fermilab, наприклад, має на місці денний догляд, який дозволяє батькам легше зосередитися на своїй роботі.
Іншим важливим фактором є, звичайно, збільшення видимості жінок у цій темі. Мермінга зазначає, що це було для неї корисно, оскільки її надихнула вчителька фізики, коли вона була в школі, а потім Хелен Едвардс, провідний фізик у будівництві Теватрона. «Побачити когось у дії — це дуже сильно», — каже вона.
На щастя, за останні роки ця ситуація ще покращилася. З 2016 року фізик-експериментатор елементарних частинок Фабіола Джанотті була генеральним директором CERN, а також першою жінкою на цій посаді. Оскільки Мермінга очолила Fermilab, дві найвідоміші посади у фізиці тепер займають жінки. Отже, хоча ще є над чим працювати, це виглядає як важлива віха.
Формулювання майбутнього
Хоча Мермінга раніше керувала великими проектами та програмами, керівництво таким великим інститутом, як Фермілаб, є для неї новим викликом, оскільки більший масштаб означає додаткову складність. Але вона вважає, що фундаментальні принципи лідерства та управління великою науковою організацією залишаються незмінними.
«Важливо мати чітке бачення, – каже вона, – і вміти сформулювати його кожному працівнику; мати план реалізації цього бачення; і притягнути себе та всіх інших до відповідальності за це».
Підготовка до майбутнього після LHC
Отже, яке бачення Merminga для Fermilab? Це те, що вона все ще формулює, тільки що прийнявши, і вона прагне розглянути багато перспектив. Однією з перших дій, які вона зробила в квітні, було відправитися в «тур для прослуховування», щоб почути думки співробітників лабораторії та спільноти користувачів Fermilab. Незважаючи на те, що деталі все ще знаходяться в розробці, вона описує широкі цілі своїх амбіцій щодо Fermilab, щоб «лідирувати у світі в галузі фізики елементарних частинок і прискорювачів, науки, технологій та інновацій, підкріплених різноманітною робочою силою світового рівня; чудовими та надійними операційними та бізнес-системами; за допомогою стійкої стратегії кампусу, інтегрованої з нашою місією; а також за рахунок довготривалих і сприятливих партнерств, регіональних, національних і міжнародних».
Розмірковуючи про свою кар’єру, вона каже, що у неї багато емоцій щодо посади директора інституту, де вона вперше почала займатися наукою про прискорення. «Я підсумую це двома словами: глибока вдячність», — каже вона. «Мені випала честь бути тут, будучи аспірантом, проводячи експерименти з одними з найкращих фізиків світу та з найдосконалішим колайдером, який існував на той час. Наскільки можна пощастити? На думку спадає поема «Ітака» грецького поета Костянтина Кавафіса. Він пише: «Ітака подарувала вам дивовижну подорож». Можливо, це надихає на більш особисту сторону її місії як директора, оскільки вона підкреслює, що тепер хоче дати іншим молодим вченим подібні можливості. Крім того, вона хоче вшанувати спадщину попередніх поколінь фізиків і колишніх директорів Fermilab.
Я відчуваю відповідальність, вдячність і великий оптимізм, що ми зможемо продовжити цю траєкторію
Лія Мермінга
Озираючись назад, здається випадковим, що один із тих колишніх режисерів, Леон Ледерман, зображений на фоні фотографії, на якій зображений дядько Мермінги. «Ми стоїмо на плечах гігантів», — каже вона. «Я відчуваю велику відповідальність за продовження традиції Fermilab як цієї великої установи, визнаної в усьому світі за інновації та проривні відкриття. Я відчуваю відповідальність і вдячність, а також великий оптимізм, що ми зможемо продовжити цю траєкторію».
