Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu
În 2010, Phiala Shanahan era studentă la Universitatea din Adelaide, și-a încheiat o diplomă în fizică computațională, când a auzit de o descoperire neașteptată în fizica particulelor. Știrea nu avea nicio legătură cu particulele rare, exotice, pe care le căutau fizicienii la acea vreme. Mai degrabă, revelația s-a învârtit în jurul protonului lumesc, omniprezent.
În acel an, oamenii de știință măsuraseră raza protonului și descoperiseră că particula era puțin mai mică decât ceea ce au raportat experimentele anterioare. Această nouă măsurătoare a pus sub semnul întrebării ceea ce fizicienii au presupus că este bine înțeles: care era exact dimensiunea protonului?
Ce s-ar fi inventat atunci „puzzleul razei protonilor” a atras imediat interesul lui Shanahan, determinând o întrebare mai fundamentală: ce altceva nu știm despre această particulă aparent simplă?
„Protonii și neutronii reprezintă 99% din materia vizibilă din univers”, spune ea. „Am presupus că, la fel cum masa protonului este cunoscută foarte precis, și dimensiunea ar fi. A fost un moment destul de devreme când mi-am dat seama că există într-adevăr întrebări fundamentale la care încă nu avem răspunsuri.”
Puzzle-ul cu protoni a fost un impuls care l-a propulsat pe Shanahan să urmărească fizica teoretică a particulelor și fizica nucleară. Astăzi, ea este profesor asociat de fizică în dezvoltarea carierei din 1957 la MIT, după ce a primit recent mandat la Institut.
În cercetarea ei, ea caută o înțelegere fundamentală a lumii noastre fizice. Folosind ecuațiile modelului standard de fizică ca ghid, ea caută punți fundamentale – conexiuni concrete, matematice între comportamentul particulelor elementare, cum ar fi quarcii și gluonii dintr-un singur proton, și interacțiunile dintre mai mulți protoni, care se unesc în materia vizibilă pe care o vedem în jurul nostru.
Urmărirea acestor conexiuni fundamentale îi va ajuta pe fizicieni să recunoască întreruperi în înțelegerea noastră, cum ar fi cazurile în care un proton interacționează cu materia întunecată, despre care se crede că reprezintă 85% din masa totală a universului și pentru care Modelul Standard – cea mai bună reprezentare a noastră. a înțelegerii noastre fizice — nu are nicio explicație.
„Încercăm să înțelegem cum puteți face o punte de înțelegere de la cea mai fundamentală teorie a noastră – această frumoasă teorie predictivă a particulelor fundamentale – până la fizica nucleară”, spune Shanahan.
Pregat pentru o provocare
Shanahan s-a născut în Sydney, Australia și și-a petrecut cea mai mare parte a copilăriei și a educației timpurii în suburbiile Adelaidei, unde a câștigat o bursă pentru a urma o școală pentru fete. A început rapid să studieze matematica și știința, să învețe limbi noi și să cânte la o varietate de instrumente.
„La acel moment, nu cred că m-ai fi ales ca om de știință mai degrabă decât ca muzician sau lingvist”, spune ea.
După liceu, Shanahan a rămas locală, mergând la Universitatea din Adelaide, unde a urmat cursuri de latină și greacă veche și a cântat într-o trupă de cover-uri în weekend. Ea a urmat, de asemenea, o diplomă de licență în fizică computațională de înaltă performanță, pe care a ales-o aproape ca pe o provocare personală.
„A fost cel mai greu grad de intrat în acel moment și m-am gândit: „Vreau ceva provocator”,” își amintește ea.
Interesul ei pentru fizică a început să se cristalizeze după ce a auzit de puzzle-ul razei protonilor într-o zi într-un seminar de cercetare. De asemenea, a descoperit că îi plăcea cercetarea, după ce a acceptat o ofertă de a lucra ca asistent de vară în laboratorul consilierului ei de licență, Anthony Thomas, care s-a specializat în fizică nucleară. Ea a continuat să lucreze cu Thomas prin studii superioare, tot la Universitatea din Adelaide, unde a obținut un doctorat în fizică nucleară teoretică.
„Deja am fost prins de ideea că nu știm atât de multe despre proton pe cât credeam, așa că doctoratul meu a fost despre înțelegerea în detaliu a structurii protonului și a ceea ce am putea adăuga la această înțelegere.” spune Shanahan.
O urmă directă
După ce și-a terminat studiile în Australia, Shanahan a căutat să facă următorul pas, în afara țării. Cu fonduri de la o bursă de călătorie, ea a planificat un tur de două luni al departamentelor și facilităților de fizică din Europa și Statele Unite, inclusiv la MIT. Experiența a fost un vârtej, deoarece Shanahan a fost introdus la fiecare oprire în idei noi și căi de cercetare.
„Extinderea minții a fost cu adevărat interesantă”, spune ea.
Când a venit acasă în Australia, a descoperit că era dornică să continue cercetarea și să trăiască în străinătate. În curând, și-a făcut bagajele pentru un post de doctorat în Departamentul de Fizică al MIT. Ea a ajuns la Institut în 2015 și și-a petrecut următorii doi ani cercetând interacțiunile gluonilor, particulele elementare, purtătoare de forță, care se leagă de quarci pentru a forma un proton.
„Este foarte dificil să măsori experimental anumite aspecte ale structurii gluonului unui proton”, spune Shanahan. „Am vrut să văd ce putem calcula, ceea ce la acea vreme era un lucru destul de nou.”
Până atunci, Shanahan se considera o teoreticiană în cea mai mare parte a „creionului și hârtiei”. Dar ea a vrut să vadă cât de departe poate fi urmărit direct comportamentul gluonilor – interacțiuni cunoscute sub numele de cromodinamică cuantică, folosind ecuațiile modelului standard. Pentru a face acest lucru ar fi nevoie de calcule numerice la scară largă, iar ea s-a trezit să învețe un nou set de instrumente de calcul și să exploreze modalități de a căuta interacțiuni fundamentale între gluoni folosind învățarea automată – o abordare nouă pe care Shanahan a fost unul dintre primii care a adoptat-o și pe care ea continuă să o urmărească astăzi.
Un spațiu creativ
După ce și-a terminat postdoctoratul, ea a petrecut un an ca membru al facultății la College of William and Mary și ca om de știință senior la Thomas Jefferson National Accelerator Facility, înainte de a se întoarce la MIT în 2018 ca profesor asistent în Centrul pentru Fizică Teoretică. Înainte de a pune bazele campusului, Shanahan a petrecut semestrul de toamnă la Institutul Perimetru de Fizică Teoretică din Ontario, Canada, ca parte a unei burse care sprijină femeile fiziciene. Programul a oferit hrană și masă pentru bursieri și, de asemenea, a livrat mese în birourile lor – toate cu scopul de a-i elibera pe fizicieni să se concentreze asupra muncii lor.
„Acest program mi-a oferit într-adevăr rampa de lansare pentru ceea ce a devenit agenda mea de cercetare în calitate de nou membru al facultății”, spune ea. „Totul a început din acel moment liniștit în care puteam de fapt să mă gândesc ore în șir. A fost incredibil de valoros și mi-a oferit spațiul necesar pentru a fi creativ.”
La MIT, ea continuă să studieze ecuațiile modelului standard pentru a înțelege dinamica cuantică a gluonilor și quarcilor și structura protonului, precum și interacțiunile care stau la baza fizicii nucleare și ceea ce poate spune comportamentul fundamental al anumitor nuclee. ne despre condițiile universului timpuriu.
Ea se concentrează, de asemenea, pe nucleele care sunt utilizate în experimentele cu materia întunecată și caută să cartografieze spațiul interacțiunilor nucleare care pot fi explicate concret prin Modelul Standard. Orice interacțiune în afara acestui spațiu derivat fundamental ar putea fi atunci un semn al materiei întunecate sau al altor fenomene dincolo de ceea ce poate explica Modelul Standard.
„Acum, grupul meu de cercetare merge în tot felul de direcții”, spune ea. „Folosim toate instrumentele pe care le avem la dispoziție, de la calcule pe hârtie, până la proiectarea și rularea de noi algoritmi pe supercalculatoare, pentru a înțelege cu adevărat noi aspecte ale structurii și interacțiunilor materiei care alcătuiesc universul nostru.”