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domingo, 26 de março de 2023

Como montar um experimento internacional de física

 Caros Leitores;







Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Steve Shanabruch

Para construir o experimento de neutrinos DUNE e sua atualização de acelerador associada, os especialistas inventam maneiras personalizadas de transportar componentes frágeis, caros e altamente especializados.

Em um dia do final de setembro, no prédio alto do Laboratório de Daresbury, no Reino Unido, Jeremiah Holzbauer se deparou com um problema: galões de água de uma chuva durante a noite haviam se acumulado inesperadamente nos bolsões de elevação de um bloco de concreto de 14 toneladas. ele era responsável por ir de Chicago a Daresbury e voltar. Aparentemente, as duas lonas sobrepostas usadas para cobrir a estrutura de transporte personalizada do bloco eram uma defesa insuficiente contra os elementos.

A equipe do Daresbury Lab teve um dia para desmontar a estrutura, examinar sua condição e a condição de sua carga de concreto, depois remontar tudo e enviá-lo de volta para Chicago. Se a chuva tivesse penetrado durante a primeira etapa da viagem, Holzbauer queria ver se isso aconteceria novamente durante o retorno - mas primeiro ele tinha que tirar a água da chuva. Ele não tinha nada em mãos para resgatar o bloco além de um pequeno copo. Então foi isso que ele usou.

Felizmente, e ironicamente, Holzbauer e sua equipe estavam no meio de uma corrida "seca", um teste do sistema de transporte que eles usarão para transportar criomódulos maciços, mas delicados, do Laboratório de Daresbury para o Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA em um subúrbio de Chicago, nos Estados Unidos. Lá eles serão usados ​​em um novo acelerador de partículas que alimentará um enorme experimento de neutrinos. 

O bloco de concreto tinha as dimensões, peso e pontos de montagem de um criomódulo real; cada um tem 10 metros de comprimento e pesa 27.500 libras, ou 12.500 quilos. A equipe estava transportando-o para ver como a estrutura que eles construíram protegeria sua carga de choques, solavancos... e do clima. 

Os testes de transporte são apenas uma parte da logística necessária para grandes experimentos internacionais de física de partículas.







Ilustração por Sandbox Studio, Chicago com Steve Shanabruch

Os criomódulos serão usados ​​para construir um novo acelerador de partículas de 215 metros de comprimento no Fermilab como parte do projeto Proton Improvement Plan II, ou PIP-II. Dois tipos diferentes de criomódulos serão fornecidos pelos parceiros do PIP-II no Reino Unido e na França. 

O PIP-II é o primeiro acelerador de partículas a ser construído nos EUA com contribuições em espécie significativas de parceirosinternacionais. Instituições da França, Índia, Itália e Polônia também estão fornecendo componentes, incluindo cavidades supercondutoras, eletroímãs, fontes de energia de radiofrequência e componentes de criomódulos. Além disso, todas as instituições parceiras contribuem com expertise em design, tecnologia e transporte para o PIP-II.

“Isso é o maior possível”, diz Holzbauer, gerente de transporte PIP-II do Fermilab. “Esta é uma ordem de magnitude mais complicada do que a maioria dos outros projetos, logisticamente, porque você está enviando entre a Índia, a UE e o Reino Unido. Os transportes são mais longos, há muito mais etapas de movimentação, as alfândegas são muito mais intensivas e a diversidade de equipamentos é bastante significativa”.

Holzbauer não esperava passar por um exercício de deslocamento de água durante o teste de transporte. Mas ele saberá se proteger quando coordenar a mudança real: ele está substituindo a lona dupla por uma única capa feita sob medida.

Holzbauer cuida do lado da engenharia do transporte, enquanto a logística do dia-a-dia é coordenada pelo gerente de logística da PIP-II no Fermilab, Brian Niesman.

Niesman supervisiona todas as peças PIP-II que entram e saem do laboratório. A maioria dos componentes concluídos chegará ao Fermilab entre 2024 e 2028, mas – conforme exibido pela estrutura de transporte do criomódulo – a equipe do PIP-II já está se preparando realizando testes de transporte para alguns dos componentes maiores e mais incomuns. 

Destino: Dakota do Sul

O feixe de partículas ativado pelo PIP-II será enviado 800 milhas através da Terra para o Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, que compreenderá um enorme detector de 1,5 km de profundidade no Sanford Underground Research Facility, ou SURF, em Dakota do Sul. O DUNE será o experimento de neutrinos mais abrangente do mundo quando começar a operar em 2028. Os cientistas do DUNE usarão dados de colisões de neutrinos para tentar descobrir por que o Universo é dominado por matéria, entre outros objetivos científicos. 

O experimento em si é um esforço ainda mais internacional: mais de 1.400 cientistas e engenheiros em mais de 35 países fazem parte da colaboração DUNE.

A colaboração DUNE compreende mais de 10 consórcios que são responsáveis ​​pela produção de componentes e sistemas específicos para o detector, como detectores de fótons. A instituição líder de cada consórcio é responsável pela logística dessas parcerias. A gerente de logística da LBNF/DUNE-US, Ladia Jakubec, é responsável pelo planejamento da movimentação de todos os componentes assim que as remessas chegam a Dakota do Sul. Ele garante que cada consórcio tenha as informações corretas para gerenciar sua cadeia logística.

A experiência de Jakubec em remessas comerciais ajudou a prepará-lo para sua posição atual, mas ele diz que trabalhar para reunir os componentes para um experimento científico único é uma experiência singular. Enquanto as remessas de produtos para grandes varejistas eram normalmente embaladas em contêineres de carga padrão que podiam ser empilhados e movidos com facilidade, os componentes DUNE têm tamanhos e formatos únicos que não podem ser colocados em contêineres convencionais.

“Com um projeto científico, essas [peças] são todas pontuais”, diz ele. “Você tem que desenvolver a cadeia logística de custódia daquela peça específica e depois executá-la.”

Jakubec e outros colaboradores do DUNE recentemente tentaram isso com sucesso para os conjuntos de plano de anodo do DUNE, ou APAs. Os maiores, mais caros e mais frágeis componentes do Far Detector da DUNE, os APAs são monólitos de aço de 6 por 2,3 metros envoltos em uma malha de 15 milhas de fios de cobre-berílio da espessura de um fio de cabelo. Eles serão responsáveis ​​por coletar os dados das colisões de neutrinos. 

Assim como os criomódulos, os APAs para o detector serão produzidos no Daresbury Lab. Assim, a equipe DUNE teve que descobrir como levar os APAs do Reino Unido para Dakota do Sul com segurança, eficiência e dentro do orçamento.

Olga Beltramello, engenheira mecânica do CERN e chefe do escritório de conformidade da DUNE, liderou o projeto de uma estrutura para transportar dois APAs por vez. Especialista em dinâmica, Beltramello calculou todas as diferentes maneiras pelas quais a estrutura poderia ser batida ou chacoalhada em trens, cargueiros e caminhões, nas estradas europeias e americanas. 

Beltramello tem formação em engenharia aeroespacial. Ela trabalhou anteriormente na Agência Espacial Européia, onde projetou satélites para suportar as vibrações e várias cargas pesadas durante a fase de lançamento. Ela diz que a experiência ajudou a prepará-la para sua tarefa atual. “É verdade que é como se estivéssemos transportando um satélite; é o mesmo tipo de fragilidade”, diz ela.

Beltramello e seus colegas do Fermilab, SURF, CERN e da Universidade de Manchester testaram recentemente a estrutura e o sistema de transporte da APA em uma remessa experimental de dois protótipos. Semelhante à remessa de teste PIP-II, os APAs precisavam ficar entre o Daresbury Lab e o Fermilab. Para começar, a equipe de transporte do DUNE despachou o par do Daresbury Lab para o CERN, onde os instalou no protótipo de Beltramello equipado com amortecedores e sensores. A equipe então enviou os APAs de trem para Liverpool, Reino Unido, de navio para Baltimore, EUA, e de caminhão coberto para o Fermilab e depois para o SURF.

O teste validou o sistema de transporte, mas também expôs os desafios que Beltramello, Jakubec e outros devem enfrentar. Por exemplo, no porto de Baltimore, eles tiveram dificuldade em controlar a transferência de carga do navio de transporte para um reboque de trator. A carga chegou em boas condições, mas os sensores da equipe registraram forças excessivas durante a movimentação no porto, que devem ser tratadas para futuros embarques.

Ainda este ano, a equipe DUNE começará a enviar APAs reais. Do Daresbury Lab ao SURF, a viagem deve levar de três a quatro semanas, incluindo 10 dias no mar. Até 2027, eles enviarão 150 APAs para Dakota do Sul em 35 transportes. 

Haverá ainda mais desafios logísticos assim que o detector for construído: será necessário muito planejamento e coordenação para levar as vastas quantidades de argônio líquido necessárias para o experimento até os detectores subterrâneos. 

Mas a equipe já está trabalhando nessa logística.

Holzbauer está em um painel do Fermilab, onde documenta cuidadosamente as lições aprendidas para o benefício de pessoas que gerenciam projetos semelhantes. Ele já usou sua experiência com o criomodule frame para assessorar Beltramello no sistema de transporte APA. 

“Acho que esse é o modelo para esses projetos”, diz Holzbauer. “Queremos que seja uma colaboração mais multinacional. Queremos que seja algo em que o mundo possa contribuir e nos ajudar a alcançar essas grandes instalações juntos e participar da ciência que resulta disso”

Para saber mais, acesse o link abaixo>


Fonte: FERMILAB / By Madeleine O’Keefe / Publicação 14/10/2023


https://www.symmetrymagazine.org/article/how-to-put-together-an-international-physics-experiment


Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).


Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas” e "Conhecendo a Energia produzida no Sol".


Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.


Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.


Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.


>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.


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