Comment monter une expérience internationale de physique

Un jour de fin septembre, dans le bâtiment à grande hauteur du laboratoire de Daresbury au Royaume-Uni, Jeremiah Holzbauer s'est retrouvé face à un problème : des litres d'eau provenant d'une averse nocturne s'étaient accumulés de manière inattendue dans les poches de levage d'un bloc de béton de 14 tonnes qu'il était chargé de transporter de Chicago à Daresbury et retour. Apparemment, les deux bâches superposées utilisées pour couvrir le cadre de transport personnalisé du bloc étaient une défense insuffisante contre les éléments.

L'équipe de Daresbury Lab a eu un jour pour démonter le cadre, examiner son état et l'état de sa cargaison de béton, puis remonter le tout et le renvoyer à Chicago. Si la pluie avait pénétré pendant la première étape du voyage, Holzbauer voulait voir si cela se reproduirait pendant le retour, mais d'abord, il devait évacuer cette eau de pluie. Il n'avait rien sous la main pour renflouer le bloc au-delà d'une petite tasse. C'est donc ce qu'il a utilisé.

Heureusement, et ironiquement, Holzbauer et son équipe étaient au milieu d'une course "à sec", un test du système de transport qu'ils utiliseront pour transporter des cryomodules massifs mais délicats de Daresbury Lab au Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l'énergie dans une banlieue de Chicago aux États-Unis. Là, ils seront utilisés dans un nouvel accélérateur de particules qui alimentera une vaste expérience sur les neutrinos.

Le bloc de béton avait les dimensions, le poids et les points de fixation d'un vrai cryomodule ; chacun mesure 10 mètres de long et pèse 27 500 livres ou 12 500 kilogrammes. L'équipe le transportait pour voir dans quelle mesure le cadre qu'ils avaient construit protégerait sa cargaison des chocs, des bosses… et des intempéries.

Les tests de transport ne sont qu'un élément de la logistique nécessaire aux grandes expériences internationales de physique des particules.

Les cryomodules seront utilisés pour construire un nouvel accélérateur de particules de 215 mètres de long au Fermilab dans le cadre du projet Proton Improvement Plan II, ou PIP-II. Deux types différents de cryomodules seront fournis par les partenaires du PIP-II au Royaume-Uni et en France.

PIP-II est le premier accélérateur de particules à être construit aux États-Unis avec d'importantes contributions en nature de partenaires internationaux. Des institutions françaises, indiennes, italiennes et polonaises fournissent également des composants, notamment des cavités supraconductrices, des électroaimants, des sources d'alimentation radiofréquence et des composants de cryomodules. De plus, toutes les institutions partenaires apportent leur expertise en conception, technologie et transport au PIP-II.

"C'est aussi gros que possible", déclare Holzbauer, responsable du transport PIP-II au Fermilab. "C'est un ordre de grandeur plus compliqué que la plupart des autres projets, sur le plan logistique, car vous expédiez entre l'Inde, l'UE et le Royaume-Uni. Les transports sont plus longs, il y a beaucoup plus d'étapes de manutention, les douanes sont beaucoup plus intensives et la diversité des équipements est assez importante."

Holzbauer ne s'attendait pas à subir un exercice de déplacement d'eau lors de son test de transport. Mais il saura s'en prémunir lorsqu'il coordonnera le vrai déménagement : il remplace la double bâche par une simple bâche sur mesure.

Holzbauer gère le côté ingénierie du transport, tandis que la logistique quotidienne est coordonnée par le responsable logistique de PIP-II au Fermilab, Brian Niesman.

Niesman supervise toutes les pièces PIP-II entrant et sortant du laboratoire. La plupart des composants achevés arriveront au Fermilab entre 2024 et 2028, mais, comme le montre le cadre de transport du cryomodule, l'équipe PIP-II se prépare déjà en effectuant des tests de transport pour certains des composants les plus gros et les plus inhabituels.

Le faisceau de particules activé par PIP-II sera envoyé à 800 miles à travers la terre vers l'expérience Deep Underground Neutrino, ou DUNE, qui comprendra un énorme détecteur à 1,5 kilomètre sous terre au Sanford Underground Research Facility, ou SURF, dans le Dakota du Sud. DUNE sera l'expérience sur les neutrinos la plus complète au monde lorsqu'elle commencera à fonctionner en 2028. Les scientifiques de DUNE utiliseront les données des collisions de neutrinos pour tenter de comprendre pourquoi l'univers est dominé par la matière, entre autres objectifs scientifiques.

L'expérience elle-même est un effort encore plus international : plus de 1 400 scientifiques et ingénieurs dans plus de 35 pays font partie de la collaboration DUNE.

La collaboration DUNE comprend plus de 10 consortiums qui sont responsables de la production de composants et de systèmes spécifiques pour le détecteur, tels que les détecteurs de photons. L'institution chef de file de chaque consortium est responsable de la logistique de ces partenariats. Ladia Jakubec, responsable de la logistique LBNF/DUNE-US, est responsable de la planification du mouvement de tous les composants une fois les expéditions arrivées dans le Dakota du Sud. Il s'assure que chaque consortium dispose des bonnes informations pour gérer sa chaîne logistique.

L'expérience de Jakubec dans les expéditions commerciales l'a aidé à se préparer à son poste actuel, mais il dit que travailler pour rassembler les composants d'une expérience scientifique unique en son genre est une expérience singulière. Alors que les expéditions de produits pour les grands détaillants étaient généralement emballées dans des conteneurs de fret standard qui pouvaient s'empiler et être déplacés facilement, les composants DUNE ont des tailles et des formes uniques qui ne peuvent pas être placées dans des conteneurs conventionnels.

"Avec un projet scientifique, ces [pièces] sont toutes uniques", dit-il. "Vous devez développer la chaîne de traçabilité logistique pour cette pièce spécifique, puis l'exécuter."

Jakubec et d'autres collaborateurs de DUNE ont récemment essayé cela avec succès pour les assemblages de plans d'anode de DUNE, ou APA. Les composants les plus gros, les plus chers et les plus fragiles du détecteur de distance de DUNE, les APA, sont des monolithes en acier de 6 mètres sur 2,3 mètres enveloppés dans un maillage de 15 miles de fils de cuivre-béryllium fins comme des cheveux. Ils seront chargés de collecter les données des collisions de neutrinos.

Comme les cryomodules, les APA du détecteur seront produits au Daresbury Lab. L'équipe DUNE a donc dû déterminer comment acheminer les APA du Royaume-Uni vers le Dakota du Sud en toute sécurité, efficacement et dans les limites du budget.

Olga Beltramello, ingénieur en mécanique au CERN et responsable du bureau de conformité de DUNE, a dirigé la conception d'un châssis pour transporter deux APA à la fois. Expert en dynamique, Beltramello a calculé toutes les différentes façons dont le châssis pouvait être heurté ou secoué sur les trains, les transporteurs de marchandises et les camions, sur les routes européennes et américaines.

Beltramello a une formation en génie aérospatial. Elle était auparavant à l'Agence spatiale européenne, où elle a conçu des satellites pour résister aux vibrations et aux diverses charges lourdes lors de la phase de lancement. Elle dit que l'expérience l'a aidée à se préparer à sa tâche actuelle. "C'est vrai que c'est comme si on transportait un satellite, c'est le même type de fragilité", dit-elle.

Beltramello et ses collègues du Laboratoire Fermi, du SURF, du CERN et de l'Université de Manchester ont récemment testé le cadre et le système de transport APA lors d'une expédition d'essai de deux prototypes. Semblable à l'expédition de test PIP-II, les APA devaient se rendre entre Daresbury Lab et Fermilab. Pour commencer, l'équipe de transport DUNE a expédié la paire de Daresbury Lab au CERN, où elle l'a installée dans le cadre prototype de Beltramello équipé d'amortisseurs et de capteurs. L'équipe a ensuite envoyé les APA par train à Liverpool, au Royaume-Uni, par bateau à Baltimore, aux États-Unis, et par camion couvert au Fermilab, puis au SURF.

Le test a validé le système de transport, mais il a également exposé des défis que Beltramello, Jakubec et d'autres doivent relever. Par exemple, au port de Baltimore, ils ont eu du mal à contrôler le transfert de la cargaison du navire de transport vers un semi-remorque. La cargaison est arrivée en bon état, mais les capteurs de l'équipe ont enregistré des forces excessives lors de la manutention portuaire, qui doivent être traitées pour les expéditions futures.

Plus tard cette année, l'équipe DUNE commencera à expédier de vrais APA. De Daresbury Lab à SURF, le trajet devrait prendre trois à quatre semaines, dont 10 jours en mer. Jusqu'en 2027, ils enverront 150 APA au Dakota du Sud dans 35 transports.

Il y aura encore plus de défis logistiques une fois le détecteur construit : il faudra énormément de planification et de coordination pour faire descendre les grandes quantités d'argon liquide nécessaires à l'expérience dans les détecteurs souterrains.

Mais l'équipe travaille déjà sur cette logistique.

Holzbauer fait partie d'un panel du Fermilab où il documente soigneusement les leçons apprises au profit des personnes gérant des projets similaires. Il a déjà utilisé son expérience avec le cadre du cryomodule pour conseiller Beltramello sur le système de transport APA.

"Je pense que c'est le modèle qui va de l'avant pour ces projets", déclare Holzbauer. "Nous voulons que ce soit une collaboration plus multinationale. Nous voulons que ce soit quelque chose où le monde peut contribuer et nous aider à réaliser ces grandes installations ensemble et à participer à la science qui en découle."