Sneha Dixit holdt seg med selskap under en 25-timers tur – med fly, tog og taxi, fra Bengaluru, India, til Chestertown, Maryland – med Stephen Hawkings populærvitenskapelige bok Det store designet. Hun var på vei for å bli med i klassen 2024 ved Washington College.
Dixit visste at hun ønsket å studere fysikk som Hawking. Men det var ikke før hun begynte på graden at hun satte pris på hvordan arbeidet med å være fysiker faktisk var.
“Jeg har ønsket å bli fysiker i nesten syv eller åtte år nå,” sier hun. “Og da jeg kom til universitetet, skjønte jeg at fysikere ikke bare sitter foran lærebøker og løser ligninger. De forsker, det er slik de finner ut ting, det er det som gjør dem til fysikere.»
Det var det Dixit ønsket å gjøre også.
Men de fleste studenter som får sjansen til å delta i eksperimenter, deltar på institusjoner som tilbyr doktorgrader og mottar et høyt nivå av føderal støtte til forskning. Dixit er ved en liten liberal-kunstinstitusjon som stort sett tilbyr fireårige grader. Fakultet ved primært undergraduate institusjoner som Washington College møter en rekke hindringer for å gi forskningserfaring til studentene sine.
Heldigvis for Dixit fant professor Suyog Shrestha i fysikk ved Washington College en vei rundt disse barrierene, i det minste for en liten gruppe studenter. Med Shrestha var Dixit i stand til å analysere data fra ATLAS-eksperimentet ved Large Hadron Collider.
Fysikere som deltok i en planleggingsprosess for fremtiden til amerikansk høyenergifysikk – kalt Snowmass – forkjempet nylig innsats som disse i en hvitbok, “Forbedring av HEP-forskning i hovedsakelig undergraduate institusjoner og community colleges.”
For å nå målet om å gjøre forskningserfaring tilgjengelig for et bredere spekter av studenter, skrev de, vil de trenge støtte fra høyskole- og universitetsadministrasjoner, eksperimentelle samarbeid og finansieringsbyråer.
Læring gjennom å gjøre
Å drive forskning handler om å lære å finne svar utenfor en lærebok, sier Matt Bellis, en førsteamanuensis i fysikk ved Siena College like utenfor Albany, New York.
Når det kommer til store spørsmål som hvorfor universet for det meste består av materie og ikke antimaterie, “kan du ikke bare gå til en bok og slå opp hvordan du løser det,” sier Bellis. “Du må bli kreativ om hvordan du takler disse problemene som det ikke finnes noe svar på.”
Siena College er en privat fransiskansk høyskole med en studentmasse på litt over 3000 studenter. Men Bellis sørger for at studentene hans har tilgang til fysikkforskning.
For studenter som fortsetter med å oppnå høyere grad i fysikk, er det forspranget viktig, sier Shrestha. “Høyenergifysikk er et veldig utfordrende felt i den forstand at det krever år med forberedelser før noen kan være produktive.”
Utover å bringe en student opp i fart i et eksperimentelt samarbeid, kan forskningserfaring også få en karriere innen fysikk til å virke mer oppnåelig. “Jeg tror jeg forstår hva fysikk er bedre enn jeg pleide,” sier Josephine Swann, en fysikkstudent ved Siena. «Jeg forestilte meg ikke at det var så knyttet til så mange andre felt. Jeg ble veldig skremt av fysikk før jeg gikk inn i det, men det har vært så mye mer tilgjengelig enn jeg hadde håpet.”
I samarbeid med Bellis utførte Swann nylig beregninger relatert til et søk etter mørk materiepartikler ved CMS-eksperimentet ved LHC. Opplevelsen introduserte henne for et bredere forskningsmiljø enn hun visste eksisterte.
“Jeg har lært av så mange mennesker,” sier hun. “Fysikere fra prosjekter ved LHC, professorene mine, andre studenter og folk i ikke-fysiske felt som biologi og kjemi har vært så hjelpsomme. Jeg hadde ingen anelse om hvor mye som gikk inn i et omfattende regnestykke [the one] Det gjorde jeg, og vår er fortsatt full av usikkerhet.
«Jeg var akkurat ferdig [introductory physics class] ‘Generell fysikk I’ da jeg begynte å jobbe med dette prosjektet, og jeg kan ikke engang begynne å si hvor mye jeg har lært.»
Selv studenter som ikke fortsetter å studere fysikk kan dra nytte av tidlig eksponering for vitenskapelig forskning, sier Sudhir Malik, professor i fysikk ved University of Puerto Rico-Mayaguez som jobbet med Snowmass-hvitboken. “Forskning er noe som gir ytterligere teknologi og ytterligere ferdigheter, som ikke er en del av den akademiske læreplanen,” sier han.
Forskning ved primært lavere institusjoner
Fakultetet ved Carnegie-klassifiserte forskningsinstitusjoner og doktorgradsinstitusjoner forventes å bruke mesteparten av tiden sin på forskning, typisk undervise i to eller færre kurs per år. Avgangsstudenter er ansvarlige for å instruere mange lavere klasser.
Fakultetet ved primært lavere institusjoner forventes derimot å bruke mesteparten av tiden sin på å undervise, og de blir evaluert ut fra deres undervisningsevne. “Undervisning er utrolig enkelt, med mindre du ønsker å gjøre det bra,” sier Bellis. “For å undervise godt, må du bruke tid og krefter på det.”
Den større klassebelastningen som fakultetet ved primært bachelorinstitusjoner er ansvarlige for, kan gjøre det vanskelig for dem å reise for å delta på eksperimentelle samarbeidsmøter eller for å oppfylle tjenesteansvar som datainnhenting, detektorvedlikehold eller datadrift.
Dette blokkerer mange bachelorstudenter fra forskning, sier Malik. «Hvis professorene ved [predominantly undergraduate institutions] forske, først da kan studentene delta.»
Primært lavere institusjoner er vanligvis ikke satt opp for forskning. Viktige klasser på øvre nivå som fysikkstudenter trenger, tilbys enten ikke eller tilbys sjelden, på grunn av det lille antallet studenter som melder seg på for å ta dem. I tillegg mangler undergraduate institusjoner infrastrukturen og utstyret som er tilgjengelig ved institusjoner med mer føderale forskningsdollar.
Ved forskningsfokuserte institusjoner støtter hovedfagsstudenter og postdoktorer fakultetet. Å veilede og veilede dem tar tid og krefter, men det lar også professorer delegere oppgaver.
Derimot må professorer ved institusjoner der det ikke er doktorgradsstudenter eller postdoktorer bevege seg i et lavere tempo. “Hvis du virkelig ønsker å gi studenten en god opplevelse, tar det tid å lære elevene det grunnleggende,” sier Bellis. «Og den gangen du underviser dem, kan du bare gjøre [the research] deg selv.”
Alt dette etterlater fakultetet ved primært bachelorinstitusjoner en ulempe når de konkurrerer mot fakultetet ved andre institusjoner om finansiering som er nødvendig for å dekke utgifter som medlemsavgifter for samarbeid, betaling for studentforskere og tilgang til utstyr og dataressurser.
“Hvis universitetet ønsker å sette opp noe, en form for forskning, trenger de alltid ekstern finansiering,” sier Malik. “Og ekstern finansiering er en utfordring for oss.”
Får det til å fungere
En måte for fakultetet ved mindre institusjoner å bringe bachelorstudenter inn i forskning er at større institusjoner tilbyr å dele ressurser.
Siena College, for eksempel, har gått sammen med Cornell University, som gir hjelp fra doktorgradsstudenter og postdoktorer, sammen med teknisk og administrativ støtte og en allerede etablert forbindelse med CMS-eksperimentet og vertslaboratoriet, CERN.
Tilsvarende bruker Shrestha, som også er adjunkt ved Ohio State University, sin forbindelse med den større institusjonen til å fortsette sin forskning på ATLAS-eksperimentet og hente inn studenter fra Washington College.
Fysikere antyder i Snowmass-hvitboken at eksperimentelle samarbeid kan lette byrden for professorer fra mindre institusjoner ved å belaste dem mindre for å delta, ved å tilby ulike nivåer av medlemskap og ved å tilby finansiering for reiser. De kan også tillate fakulteter med tyngre undervisningsmengder å utføre servicearbeid eksternt.
Finansieringsbyråer nekter professorer å bruke stipender til å betale institusjonene sine i bytte mot å frita dem fra noe av undervisningsansvaret. Men å la fakulteter med tyngre undervisningsmengder gjøre det, vil hjelpe professorer ved mindre institusjoner, heter det i hvitboken.
US Department of Energy og National Science Foundation gir noe økonomisk støtte til fakultetet ved primært lavere institusjoner, sier Malik.
NSF tilbyr finansieringsmuligheter kalt Facilitating Research at Primarily Undergraduate Institutes, designet for skoler som ikke har intern finansiering til forskning. DOE Office of Science gir midler til fakultet og studenter fra institusjoner som historisk er underrepresentert i forskning gjennom Visiting Faculty Program, som gjør det mulig for fakultetet å samarbeide om sommeren med vitenskapelig og teknisk personell ved nasjonale laboratorier. Starter våren 2023, som en del av Office of Science FORNYE initiativvil VFP-programmet tilby vilkår i vår- og høstvilkår også.
Noen primært bachelorinstitusjoner tilbyr også midler til fakultetsforskning. Shrestha har støttet sommerforskerstudenter, inkludert Dixit, med et lite stipend fra John S. Toll Summer Student Research Program ved Washington College.
For Dixit, som er på vei til å oppgradere tidlig, i 2023, har muligheten vært transformerende.
“Dette er noe jeg ikke har noe imot å gjøre resten av livet,” sier hun. “Og uansett hvilken anelse jeg hadde om å ville bli fysiker, var det riktig.”