国際的な物理実験をどのようにまとめるか

9月下旬の日、イギリスのデアズベリー研究所の高層ビルで、ジェレマイア・ホルツバウアー氏はある問題を抱えていることに気づいた。一晩の豪雨でガロンの水が、14トンのコンクリートブロックの吊り上げポケットに予想外に溜まっていたのだ。彼はシカゴからデアズベリーまで往復する責任を負っていました。 どうやら、ブロックのカスタム輸送フレームを覆うために使用された 2 つの重なった防水シートでは、雨風に対する防御が不十分だったようです。

デアズベリー研究所のチームは 1 日かけてフレームを分解し、その状態とコンクリート積荷の状態を検査し、すべてを再組み立てしてシカゴに送り返す必要がありました。 旅行の最初の行程で雨が侵入した場合、ホルツバウアー氏は帰国時に再び雨が降るかどうかを確認したいと考えていましたが、まず最初にこの雨水を取り除く必要がありました。 彼は小さなカップを越えてブロックを救済するために何も持っていませんでした。 それで彼はそれを使ったのです。

幸運なことに、そして皮肉なことに、ホルツバウアー氏と彼のチームは、デアズベリー研究所から米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所まで、巨大だが繊細なクライオモモジュールを往復させるために使用する輸送システムのテストである「予行運転」の真っ最中だった。アメリカのシカゴの郊外。 そこでは、巨大なニュートリノ実験に動力を供給する新しい粒子加速器で使用されることになります。

コンクリートブロックは、実際のクライオモジュールの寸法、重量、取り付けポイントを備えていました。 それぞれの長さは 10 メートル、重さは 27,500 ポンド、つまり 12,500 キログラムです。 チームは、自分たちが作ったフレームが衝撃、衝撃、天候から荷物をどれだけ守るかを確認するために、それを輸送していました。

輸送テストは、大規模な国際的な素粒子物理学実験に必要な物流の一部にすぎません。

このクライオモジュールは、陽子改良計画 II (PIP-II) プロジェクトの一環として、フェルミラボに長さ 215 メートルの新しい粒子加速器を建設するために使用されます。 2 つの異なるタイプのクライオモジュールが英国とフランスの PIP-II パートナーによって提供されます。

PIP-II は、国際パートナーからの多大な現物出資により米国で建設された初の粒子加速器です。 フランス、インド、イタリア、ポーランドの機関も、超電導空洞、電磁石、高周波電源、クライオモジュールコンポーネントなどのコンポーネントを提供しています。 さらに、すべての提携機関が設計、技術、輸送に関する専門知識を PIP-II に提供しています。

「これはこれ以上ないくらい大きいです」とフェルミ研究所の PIP-II 輸送マネージャーのホルツバウアー氏は言う。 「インド、EU、英国の間で輸送するため、これは物流的に他のほとんどのプロジェクトよりも一桁複雑です。輸送時間は長く、処理手順ははるかに多く、税関はより集中的です。機器の多様性は非常に重要です。」

ホルツバウアー氏は輸送試験中に水置換訓練を受けるとは予想していなかった。 しかし、実際の動きを調整するとき、彼はそれを防ぐ必要があることを知っています。彼は二重防水シートをカスタムメイドの単一カバーに置き換えています。

ホルツバウアー氏は輸送のエンジニアリング面を担当し、日常の物流はフェルミ研究所の PIP-II 物流マネージャーであるブライアン ニースマン氏が調整します。

ニースマン氏は、研究室に出入りするすべての PIP-II 部品を監督しています。 完成したコンポーネントのほとんどは、2024 年から 2028 年の間にフェルミ研究所に到着する予定ですが、クライオモジュール輸送フレームで示されているように、PIP-II チームは、より大型で珍しいコンポーネントのいくつかについて輸送テストを実施することですでに準備を進めています。

PIP-IIによって実現された粒子ビームは、地中を800マイル離れて、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設（SURF）の地下1.5キロメートルにある巨大な検出器で構成される深部地下ニュートリノ実験（DUNE）に送られる。 DUNE は 2028 年に運用が開始され、世界で最も包括的なニュートリノ実験になります。DUNE の科学者は、ニュートリノ衝突からのデータを使用して、他の科学的目標の中でも特に、宇宙が物質によって支配されている理由を解明することを試みます。

この実験自体はさらに国際的な取り組みであり、35 か国以上の 1,400 人を超える科学者やエンジニアが DUNE コラボレーションに参加しています。

DUNE のコラボレーションは、光子検出器などの検出器用の特定のコンポーネントとシステムの製造を担当する 10 を超えるコンソーシアムで構成されています。 各コンソーシアムの主導機関は、これらのパートナーシップのロジスティックスを担当します。 LBNF/DUNE-US 物流マネージャーの Ladia Jakubec は、荷物がサウスダコタに到着した後のすべてのコンポーネントの移動を計画する責任を負います。 彼は、各コンソーシアムが物流チェーンを管理するための正しい情報を持っていることを保証します。

ヤクベック氏は商業輸送の分野での経歴があったため、現在の職に就く準備が整いましたが、他に類を見ない科学実験のための部品を収集する仕事は特別な経験だと彼は言います。 大規模小売業者向けの製品の出荷は、通常、積み重ねて簡単に移動できる標準的な貨物コンテナに梱包されていましたが、DUNE コンポーネントは、従来のコンテナに入れることができない独自のサイズと形状です。

「科学プロジェクトでは、これらの作品はすべて 1 回限りのものです」と彼は言います。 「その特定の商品の物流保管過程を開発し、それを実行する必要があります。」

Jakubec と他の DUNE 協力者は最近、DUNE のアノード プレーン アセンブリ (APA) に対してこれを試みて成功しました。 DUNE の Far Detector の最も大きく、最も高価で、最も壊れやすいコンポーネントである APA は、髪の毛ほどの細い銅ベリリウム ワイヤーのメッシュで包まれた 6 × 2.3 メートルの鋼鉄モノリスです。 彼らはニュートリノ衝突からのデータを収集する責任を負います。

クライオモジュールと同様に、検出器用の APA はデアズベリー研究所で製造されます。 そのため、DUNE チームは、APA を英国からサウスダコタ州に安全、効率的かつ予算内で輸送する方法を見つけ出す必要がありました。

CERN の機械エンジニアであり、DUNE のコンプライアンス室長であるオルガ ベルトラメロ氏は、一度に 2 つの APA を輸送するためのフレームの設計を主導しました。 力学の専門家であるベルトラメロは、ヨーロッパとアメリカの両方の道路で、電車、貨物運送業者、トラックでフレームがぶつかったりガタガタしたりする可能性のあるさまざまな方法をすべて計算しました。

ベルトラメロは航空宇宙工学のバックグラウンドを持っています。 彼女は以前欧州宇宙機関に勤務しており、打ち上げ段階での振動やさまざまな重荷重に耐えられるように衛星を設計していました。 この経験が現在の仕事に向けた準備に役立ったと彼女は言います。 「確かに、私たちは人工衛星を輸送しているようなものです。それは同じ種類のもろさです」と彼女は言う。

ベルトラメロ氏とフェルミ研究所、SURF、CERN、マンチェスター大学の同僚は最近、2 つのプロトタイプの試験出荷で APA フレームと輸送システムをテストしました。 PIP-II テスト出荷と同様に、APA はデアズベリー研究所とフェルミ研究所の間を行き来する必要がありました。 まず、DUNE の輸送チームはこのペアをデアズベリー研究所から CERN に輸送し、そこでショックアブソーバーとセンサーを備えたベルトラメロのプロトタイプ フレームに取り付けました。 その後、チームはAPAを電車で英国のリバプールに、船で米国のボルティモアに、屋根付きトラックでフェルミラボ、そしてSURFに送りました。

このテストでは輸送システムの検証が行われましたが、ベルトラメロ氏やヤクベック氏などが対処しなければならない課題も明らかになりました。 たとえば、ボルチモアの港では、輸送船からトラクタートレーラーへの貨物の移送を制御するのが困難でした。 貨物は良好な状態で到着しましたが、チームのセンサーは港での取り扱い中に過剰な力を記録したため、今後の出荷のために対処する必要があります。

今年後半、DUNE チームは実際の APA の出荷を開始する予定です。 デアズベリー ラボから SURF までの移動には、海上での 10 日間を含む 3 ～ 4 週間かかります。 2027年までに、35回の輸送で150台のAPAをサウスダコタ州に送る予定だ。

検出器が建設されると、さらに多くの物流上の課題が生じることになります。実験に必要な大量の液体アルゴンを地下の検出器に送り込むには、膨大な計画と調整が必要になります。

しかし、チームはすでにそれらのロジスティクスに取り組んでいます。

ホルツバウアー氏はフェルミ研究所のパネルディスカッションに参加しており、同様のプロジェクトを管理する人々の利益のために学んだ教訓を注意深く文書化しています。 彼はすでにクライオモジュール フレームの経験を活かして、APA 輸送システムについてベルトラメロにアドバイスを行っています。

「これがこれらのプロジェクトの今後のモデルになると思います」とホルツバウアー氏は言う。 「私たちは、それをより多国間協力的なものにしたいと考えています。私たちは、世界が貢献し、これらの大規模な施設を一緒に実現し、そこから生まれる科学に参加できるよう支援できるものにしたいと考えています。」