Cómo armar un experimento internacional de física

En un día de fines de septiembre, en el edificio de gran altura del Laboratorio Daresbury en el Reino Unido, Jeremiah Holzbauer se encontró con un problema: galones de agua de un aguacero nocturno se habían acumulado inesperadamente en las bolsas de elevación de un bloque de hormigón de 14 toneladas. él era responsable de ir de Chicago a Daresbury y de regreso. Aparentemente, las dos lonas superpuestas que se usaron para cubrir el marco de transporte personalizado del bloque no fueron una defensa suficiente contra los elementos.

El equipo de Daresbury Lab tuvo un día para desmontar el marco, examinar su estado y el estado de su carga de hormigón, luego volver a montarlo todo y enviarlo de vuelta a Chicago. Si la lluvia había penetrado durante el primer tramo del viaje, Holzbauer quería ver si volvía a ocurrir durante el regreso, pero primero tenía que sacar el agua de lluvia. No tenía nada a mano para rescatar el bloque más allá de una pequeña taza. Así que eso es lo que usó.

Afortunadamente, e irónicamente, Holzbauer y su equipo estaban en medio de una prueba "en seco", una prueba del sistema de transporte que usarán para transportar criomódulos masivos pero delicados desde Daresbury Lab hasta el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. en un suburbio de Chicago en los Estados Unidos. Allí se utilizarán en un nuevo acelerador de partículas que impulsará un enorme experimento con neutrinos.

El bloque de hormigón tenía las dimensiones, el peso y los puntos de montaje de un criomódulo real; cada uno mide 10 metros de largo y pesa 27.500 libras, o 12.500 kilogramos. El equipo lo estaba transportando para ver qué tan bien el marco que construyeron protegería su carga de golpes, baches... y el clima.

Las pruebas de transporte son solo una parte de la logística necesaria para los grandes experimentos internacionales de física de partículas.

Los criomódulos se utilizarán para construir un nuevo acelerador de partículas de 215 metros de largo en Fermilab como parte del proyecto Proton Improvement Plan II, o PIP-II. Los socios de PIP-II en el Reino Unido y Francia proporcionarán dos tipos diferentes de criomódulos.

PIP-II es el primer acelerador de partículas que se construye en los EE. UU. con importantes contribuciones en especie de socios internacionales. Instituciones de Francia, India, Italia y Polonia también están proporcionando componentes, incluidas cavidades superconductoras, electroimanes, fuentes de energía de radiofrecuencia y componentes de criomódulos. Además, todas las instituciones asociadas aportan experiencia en diseño, tecnología y transporte a PIP-II.

"Esto es tan grande como parece", dice Holzbauer, gerente de transporte de PIP-II en Fermilab. "Este es un orden de magnitud más complicado que la mayoría de los otros proyectos, desde el punto de vista logístico, porque se realizan envíos entre la India, la UE y el Reino Unido. Los transportes son más largos, hay muchos más pasos de manipulación, las aduanas son mucho más intensivas y la La diversidad de equipos es bastante significativa".

Holzbauer no esperaba someterse a un ejercicio de desplazamiento de agua durante su prueba de transporte. Pero sabrá cómo protegerse cuando coordine el movimiento real: está reemplazando la lona doble con una cubierta individual hecha a medida.

Holzbauer maneja el lado de la ingeniería del transporte, mientras que la logística diaria es coordinada por el gerente de logística de PIP-II en Fermilab, Brian Niesman.

Niesman supervisa todas las piezas de PIP-II que entran y salen del laboratorio. La mayoría de los componentes completos llegarán a Fermilab entre 2024 y 2028, pero, como lo muestra el marco de transporte del criomódulo, el equipo de PIP-II ya se está preparando realizando pruebas de transporte para algunos de los componentes más grandes e inusuales.

El haz de partículas habilitado por PIP-II se enviará 800 millas a través de la tierra al Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos, o DUNE, que comprenderá un enorme detector a 1,5 kilómetros bajo tierra en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford, o SURF, en Dakota del Sur. DUNE será el experimento de neutrinos más completo del mundo cuando comience a funcionar en 2028. Los científicos de DUNE utilizarán datos de colisiones de neutrinos para intentar averiguar por qué el universo está dominado por la materia, entre otros objetivos científicos.

El experimento en sí es un esfuerzo aún más internacional: más de 1400 científicos e ingenieros en más de 35 países son parte de la colaboración DUNE.

La colaboración DUNE comprende más de 10 consorcios que son responsables de la producción de componentes y sistemas específicos para el detector, como detectores de fotones. La institución líder de cada consorcio es responsable de la logística de estas asociaciones. La gerente de logística de LBNF/DUNE-US, Ladia Jakubec, es responsable de planificar el movimiento de todos los componentes una vez que los envíos llegan a Dakota del Sur. Se asegura de que cada consorcio tenga la información correcta para administrar su cadena logística.

La experiencia de Jakubec en envíos comerciales lo ayudó a prepararse para su puesto actual, pero dice que trabajar para reunir los componentes para un experimento científico único en su tipo es una experiencia singular. Mientras que los envíos de productos para grandes minoristas normalmente se empaquetaban en contenedores de carga estándar que podían apilarse y moverse con facilidad, los componentes DUNE tienen tamaños y formas únicos que no se pueden colocar en contenedores convencionales.

"Con un proyecto científico, estas [piezas] son ​​únicas", dice. "Tienes que desarrollar la cadena logística de custodia para esa pieza específica y luego ejecutarla".

Jakubec y otros colaboradores de DUNE lo intentaron recientemente con éxito para los ensamblajes de plano de ánodo de DUNE, o APA. Los componentes más grandes, más caros y más frágiles del detector lejano de DUNE, los APA, son monolitos de acero de 6 por 2,3 metros envueltos en una malla de 15 millas de cables de cobre-berilio del grosor de un cabello. Serán los encargados de recoger los datos de las colisiones de neutrinos.

Al igual que los criomódulos, los APA para el detector se producirán en Daresbury Lab. Por lo tanto, el equipo de DUNE tuvo que descubrir cómo llevar los APA del Reino Unido a Dakota del Sur de manera segura, eficiente y dentro del presupuesto.

Olga Beltramello, ingeniera mecánica del CERN y jefa de la oficina de cumplimiento de DUNE, dirigió el diseño de un marco para transportar dos APA a la vez. Experto en dinámica, Beltramello calculó todas las formas diferentes en las que el bastidor podría sufrir golpes o traqueteos en trenes, camiones y camiones, tanto en carreteras europeas como americanas.

Beltramello tiene experiencia en ingeniería aeroespacial. Anteriormente trabajó en la Agencia Espacial Europea, donde diseñó satélites para resistir las vibraciones y diversas cargas pesadas durante la fase de lanzamiento. Ella dice que la experiencia la ha ayudado a prepararse para su tarea actual. “Es cierto que es como si estuviéramos transportando un satélite, es el mismo tipo de fragilidad”, dice.

Beltramello y sus colegas de Fermilab, SURF, CERN y la Universidad de Manchester probaron recientemente el marco y el sistema de transporte de APA en un envío de prueba de dos prototipos. Al igual que con el envío de prueba de PIP-II, los APA necesitaban llegar entre Daresbury Lab y Fermilab. Para empezar, el equipo de transporte de DUNE envió el par desde Daresbury Lab al CERN, donde los instalaron en el marco prototipo de Beltramello equipado con amortiguadores y sensores. Luego, el equipo envió las APA por tren a Liverpool, Reino Unido, por barco a Baltimore, EE. UU., y por camión cubierto a Fermilab y luego a SURF.

La prueba validó el sistema de transporte, pero también expuso desafíos que Beltramello, Jakubec y otros deben abordar. Por ejemplo, en el puerto de Baltimore, tuvieron dificultades para controlar la transferencia de carga desde el buque de transporte a un remolque de tractor. La carga llegó en buenas condiciones, pero los sensores del equipo registraron fuerzas excesivas durante el manejo en puerto, lo que debe ser atendido para futuros envíos.

A finales de este año, el equipo de DUNE comenzará a enviar APA reales. Desde Daresbury Lab hasta SURF, el viaje debería tomar de tres a cuatro semanas, incluidos 10 días en el mar. Hasta 2027, enviarán 150 APA a Dakota del Sur en 35 transportes.

Habrá aún más desafíos logísticos una vez que se construya el detector: se necesitará una gran cantidad de planificación y coordinación para llevar las grandes cantidades de argón líquido requeridas para el experimento a los detectores subterráneos.

Pero el equipo ya está trabajando en esa logística.

Holzbauer está en un panel de Fermilab donde está documentando cuidadosamente las lecciones aprendidas en beneficio de las personas que gestionan proyectos similares. Ya utilizó su experiencia con el marco del criomódulo para asesorar a Beltramello sobre el sistema de transporte APA.

"Creo que este es el modelo a seguir para estos proyectos", dice Holzbauer. “Queremos que sea una colaboración más multinacional. Queremos que sea algo en lo que el mundo pueda contribuir y ayudarnos a lograr estas grandes instalaciones juntos y participar en la ciencia que surge de ello”.