Wie man ein internationales Physikexperiment zusammenstellt

An einem Tag Ende September stand Jeremiah Holzbauer im Hochregalgebäude des Daresbury Laboratory im Vereinigten Königreich vor einem Problem: Gallonen Wasser aus einem nächtlichen Regenguss hatten sich unerwartet in den Hebetaschen eines 14 Tonnen schweren Betonblocks angesammelt Er war dafür verantwortlich, von Chicago nach Daresbury und zurück zu gelangen. Anscheinend reichten die beiden überlappenden Planen, mit denen der individuelle Transportrahmen des Blocks abgedeckt wurde, nicht aus, um vor den Elementen zu schützen.

Das Team im Daresbury Lab hatte einen Tag Zeit, den Rahmen zu zerlegen, seinen Zustand und den Zustand seiner Betonladung zu untersuchen, dann alles wieder zusammenzubauen und nach Chicago zurückzusenden. Sollte auf der ersten Etappe der Reise Regen eingedrungen sein, wollte Holzbauer sehen, ob sich das bei der Rückfahrt wiederholen würde – doch zunächst musste er dieses Regenwasser rausbekommen. Außer einer kleinen Tasse hatte er nichts zur Hand, um den Block zu retten. Das hat er also verwendet.

Glücklicherweise und ironischerweise befanden sich Holzbauer und sein Team mitten in einem „Trockenlauf“, einem Test des Transportsystems, mit dem sie massive, aber empfindliche Kryomodule vom Daresbury Lab zum Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums transportieren werden ein Vorort von Chicago in den Vereinigten Staaten. Dort werden sie in einem neuen Teilchenbeschleuniger eingesetzt, der ein riesiges Neutrino-Experiment antreiben wird.

Der Betonblock hatte die Abmessungen, das Gewicht und die Befestigungspunkte eines echten Kryomoduls; Jedes ist 10 Meter lang und wiegt 27.500 Pfund oder 12.500 Kilogramm. Das Team transportierte es, um zu sehen, wie gut der von ihnen gebaute Rahmen seine Ladung vor Stößen, Stößen und Witterungseinflüssen schützen würde.

Transporttests sind nur ein Teil der Logistik, die für große internationale Experimente der Teilchenphysik erforderlich ist.

Die Kryomodule werden zum Bau eines neuen 215 Meter langen Teilchenbeschleunigers am Fermilab im Rahmen des Projekts Proton Improvement Plan II, kurz PIP-II, verwendet. Zwei verschiedene Arten von Kryomodulen werden von PIP-II-Partnern in Großbritannien und Frankreich bereitgestellt.

PIP-II ist der erste Teilchenbeschleuniger, der in den USA mit erheblichen Sachleistungen internationaler Partner gebaut wurde. Institutionen aus Frankreich, Indien, Italien und Polen stellen ebenfalls Komponenten bereit, darunter supraleitende Hohlräume, Elektromagnete, Hochfrequenz-Stromquellen und Kryomodulkomponenten. Darüber hinaus bringen alle Partnerinstitutionen Fachwissen in den Bereichen Design, Technologie und Transport in PIP-II ein.

„Das ist so groß wie es nur geht“, sagt Holzbauer, der PIP-II-Transportmanager bei Fermilab. „Dies ist logistisch um eine Größenordnung komplizierter als die meisten anderen Projekte, da Sie zwischen Indien, der EU und dem Vereinigten Königreich versenden. Die Transporte dauern länger, es gibt viel mehr Bearbeitungsschritte, der Zoll ist viel intensiver und das.“ Die Vielfalt der Geräte ist sehr groß.“

Holzbauer rechnete nicht damit, sich während des Transporttests einer Wasserverdrängungsübung zu unterziehen. Aber er wird sich davor hüten, wenn er den eigentlichen Umzug koordiniert: Er ersetzt die Doppelplane durch eine maßgeschneiderte Einzelplane.

Holzbauer kümmert sich um die technische Seite des Transports, während die tägliche Logistik vom Logistikmanager von PIP-II bei Fermilab, Brian Niesman, koordiniert wird.

Niesman überwacht alle PIP-II-Teile, die im Labor ein- und ausgehen. Die meisten fertiggestellten Komponenten werden zwischen 2024 und 2028 bei Fermilab eintreffen, aber – wie der Transportrahmen des Kryomoduls zeigt – bereitet sich das PIP-II-Team bereits darauf vor, indem es Transporttests für einige der größeren, ungewöhnlicheren Komponenten durchführt.

Der durch PIP-II ermöglichte Teilchenstrahl wird 800 Meilen durch die Erde zum Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) geschickt, das einen riesigen Detektor 1,5 Kilometer unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota umfassen wird. DUNE wird das umfassendste Neutrino-Experiment der Welt sein, wenn es 2028 seinen Betrieb aufnimmt. DUNE-Wissenschaftler werden unter anderem anhand von Daten aus Neutrino-Kollisionen herausfinden, warum das Universum von Materie dominiert wird.

Das Experiment selbst ist eine noch internationalere Anstrengung: Über 1.400 Wissenschaftler und Ingenieure in mehr als 35 Ländern sind Teil der DUNE-Zusammenarbeit.

Die DUNE-Kollaboration umfasst mehr als 10 Konsortien, die für die Produktion spezifischer Komponenten und Systeme für den Detektor verantwortlich sind, beispielsweise Photonendetektoren. Die federführende Institution jedes Konsortiums ist für die Logistik dieser Partnerschaften verantwortlich. Die Logistikmanagerin von LBNF/DUNE-US, Ladia Jakubec, ist für die Planung der Bewegung aller Komponenten verantwortlich, sobald die Lieferungen in South Dakota eintreffen. Er stellt sicher, dass jedes Konsortium über die richtigen Informationen verfügt, um seine Logistikkette zu verwalten.

Jakubecs Erfahrung im Bereich kommerzieller Transporte half ihm dabei, sich auf seine aktuelle Position vorzubereiten, aber er sagt, die Arbeit an der Zusammenstellung der Komponenten für ein einzigartiges wissenschaftliches Experiment sei eine einzigartige Erfahrung. Während Produktlieferungen für große Einzelhändler typischerweise in Standard-Frachtcontainern verpackt wurden, die sich leicht stapeln und bewegen ließen, haben DUNE-Komponenten einzigartige Größen und Formen, die nicht in herkömmlichen Containern untergebracht werden können.

„Bei einem wissenschaftlichen Projekt sind diese [Stücke] alles Einzelstücke“, sagt er. „Sie müssen die Logistikkette für dieses spezifische Stück entwickeln und sie dann ausführen.“

Jakubec und andere DUNE-Mitarbeiter haben dies kürzlich erfolgreich für die Anodenebenenbaugruppen (APAs) von DUNE versucht. Die APAs, die größten, teuersten und zerbrechlichsten Komponenten des Ferndetektors von DUNE, sind 6 mal 2,3 Meter große Stahlmonolithen, die von einem Netz aus 24 Kilometern haardünnen Kupfer-Beryllium-Drähten umwickelt sind. Sie werden für die Sammlung der Daten von Neutrino-Kollisionen verantwortlich sein.

Wie die Kryomodule werden auch die APAs für den Detektor im Daresbury Lab hergestellt. Daher musste das DUNE-Team herausfinden, wie es die APAs sicher, effizient und im Rahmen des Budgets vom Vereinigten Königreich nach South Dakota bringen konnte.

Olga Beltramello, Maschinenbauingenieurin am CERN und Leiterin des Compliance-Büros von DUNE, leitete die Entwicklung eines Rahmens für den gleichzeitigen Transport von zwei APAs. Als Experte für Dynamik berechnete Beltramello alle möglichen Stöße und Erschütterungen des Rahmens in Zügen, Frachtschiffen und Lastwagen, sowohl auf europäischen als auch auf amerikanischen Straßen.

Beltramello hat einen Hintergrund in der Luft- und Raumfahrttechnik. Zuvor war sie bei der Europäischen Weltraumorganisation tätig, wo sie Satelliten entwarf, die den Vibrationen und verschiedenen schweren Belastungen während der Startphase standhalten. Sie sagt, die Erfahrung habe ihr geholfen, sich auf ihre aktuelle Aufgabe vorzubereiten. „Es ist wahr, dass es so ist, als würden wir einen Satelliten transportieren; es ist die gleiche Art von Zerbrechlichkeit“, sagt sie.

Beltramello und ihre Kollegen von Fermilab, SURF, CERN und der Universität Manchester haben kürzlich den APA-Rahmen und das Transportsystem in einer Testlieferung von zwei Prototypen getestet. Ähnlich wie bei der PIP-II-Testlieferung mussten die APAs zwischen Daresbury Lab und Fermilab transportiert werden. Zunächst transportierte das DUNE-Transportteam das Paar vom Daresbury Lab zum CERN, wo es es in Beltramellos Prototyprahmen installierte, der mit Stoßdämpfern und Sensoren ausgestattet war. Das Team schickte die APAs dann per Zug nach Liverpool (Großbritannien), per Schiff nach Baltimore (USA) und per überdachtem LKW nach Fermilab und dann zu SURF.

Der Test validierte das Transportsystem, zeigte aber auch Herausforderungen auf, denen sich Beltramello, Jakubec und andere stellen müssen. Im Hafen von Baltimore hatten sie beispielsweise Schwierigkeiten, den Ladungstransfer vom Schiff auf einen Sattelschlepper zu kontrollieren. Die Ladung kam in gutem Zustand an, die Sensoren des Teams registrierten jedoch übermäßige Kräfte während des Hafenumschlags, die bei zukünftigen Lieferungen berücksichtigt werden müssen.

Später in diesem Jahr wird das DUNE-Team mit der Auslieferung echter APAs beginnen. Vom Daresbury Lab zum SURF sollte die Reise drei bis vier Wochen dauern, einschließlich 10 Tagen auf See. Bis 2027 werden sie in 35 Transporten 150 APAs nach South Dakota schicken.

Sobald der Detektor gebaut ist, wird es noch mehr logistische Herausforderungen geben: Es wird einen enormen Planungs- und Koordinationsaufwand erfordern, um die riesigen Mengen an flüssigem Argon, die für das Experiment benötigt werden, in die unterirdischen Detektoren zu befördern.

Aber das Team arbeitet bereits an dieser Logistik.

Holzbauer nimmt an einem Fermilab-Gremium teil, wo er die gewonnenen Erkenntnisse zum Nutzen von Menschen, die ähnliche Projekte leiten, sorgfältig dokumentiert. Seine Erfahrungen mit dem Kryomodulrahmen nutzte er bereits, um Beltramello beim APA-Transportsystem zu beraten.

„Ich denke, das ist das Modell für die Zukunft dieser Projekte“, sagt Holzbauer. „Wir möchten, dass es sich um eine multinationalere Zusammenarbeit handelt. Wir möchten, dass die Welt einen Beitrag leistet und uns dabei hilft, gemeinsam diese großen Einrichtungen zu schaffen und an der daraus resultierenden Wissenschaft teilzuhaben.“