Un chip desarrollado en Brasil será una pieza clave en la mejora del LHC

El Gran Colisionador de Hadrones pasará por una actualización, y el Alice, uno de sus grandes experimentos, contará con un nuevo sistema detector de partículas equipado con 88 mil unidades del circuito llamado "Sampa"

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un chip brasileño renovará el sistema de detección del Alice (A Large Ion Collider Experiment), uno de los cuatro grandes experimentos del LHC (Large Hadron Collider), el mayor colisionador de partículas del mundo, instalado en la frontera franco-suiza. Se trata del chip Sampa, proyectado en la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (EPUSP), en Brasil. 

El Sampa, probado en varios países y escrutado por un conjunto internacional de expertos, fue muy bien evaluado y recibió luz verde para su fabricación a gran escala. La empresa TSMC, de Taiwán, producirá las 88 mil unidades necesarias para la actualización del Alice.

El desarrollo del Sampa estuvo coordinado por Wilhelmus Adrianus Maria Van Noije, profesor titular sénior de la EPUSP, Marcelo Gameiro Munhoz, profesor libre docente del Instituto de Física de la USP, y Marco Bregant, profesor doctor también del Instituto de Física de la USP. Y contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del Proyecto Temático intitulado “Física nuclear de altas energías en el RHIC y en el LHC”, del “Proyecto de un ASIC de adquisición y procesamiento digital de señales para el Time Projection Chamber del experimento Alice” y del proyecto “Desarrollo de instrumentación científica para el experimento Alice del LHC-CERN”.

“Los nuevos chips formarán parte de la instrumentación de dos detectores del Alice: el TPC [Time Projection Chamber] y el MCH [Muon Chamber]. El TPC detecta las trayectorias de las partículas cargadas que se producen, y el MCH mide específicamente la producción de muones”, declaró Marcelo Gameiro Munhoz a Agência FAPESP. 

Cabe recordar aquí que el muon es una partícula perteneciente a la clase de los leptones. Tiene la misma carga eléctrica (-1) y el mismo espín (1/2) que el electrón, pero posee una masa más de 200 veces mayor.

Gameiro Munhoz explicó cómo funciona el TPC y cuál será la función del Sampa en éste. La Time Projection Chamber, que constituye el principal sistema de detección del Alice, está compuesta básicamente por dos cilindros concéntricos, de los cuales el mayor tiene 5 metros de longitud y 5 metros de diámetro, y la región situada entre el cilindro menor y el mayor se encuentra cerrada en sus extremos. Por dentro del cilindro menor pasa la canalización por donde transitan los haces de partículas que deben colisionar, cuyo interior es un ambiente dominado por el vacío. La región situada entre ambos cilindros está ocupada por un gas.

Cuando se producen las colisiones, se generan miles de partículas que atraviesan la pared del cilindro interior, ionizan las moléculas del gas y pasan también por la pared del cilindro exterior antes de su absorción. 

Entre los extremos cerrados se aplica una gran diferencia de potencial eléctrico. A causa de la tensión eléctrica, los electrones que se les extraen a las moléculas del gas se proyectan contra esos extremos. En función de las posiciones en donde inciden las cargas, es posible determinar las trayectorias y, como consecuencia de ello, las naturalezas de las partículas producidas en las colisiones. 

Para determinar las posiciones de los puntos de incidencia y los valores de las cargas incidentes, se cuadriculan los extremos en más de 500 mil pequeños cuadrados. Cada conjunto de 32 pequeños cuadrados estará instrumentado con un chip Sampa. El MCH funciona de manera un tanto distinta, pero el principio es el mismo.

“La función de cada chip consiste en leer las cargas incidentes, transformar la lectura en una señal de tensión, convertir la señal analógica en señal digital, realizar un procesamiento digital interno y enviar la información a los procesadores externos. La operación de conjunto de todos los chips permitirá obtener aquellas famosas imágenes de las colisiones, con el chorro de miles de partículas que siguen cada uno una trayectoria específica”, dijo Gameiro Munhoz. 

El Sampa reemplazará a la actual generación de chips del Alice. En la configuración actual, por cada conjunto de 16 cuadrados se hacen necesarios dos chips: un solamente lee las cargas y genera la correspondiente señal de tensión; en tanto, el otro convierte la señal analógica en bits y efectúa el procesamiento digital previo de los mismos. Con una electrónica mucho más compacta, el Sampa realizará ambas operaciones y además operará en 32 canales en lugar de en 16.

Una vez producidos en Taiwán, los chips se probarán uno por uno en Suecia. Se los instalará en el Alice durante el bienio 2019-2020, cuando todo el LHC pasar por una actualización con miras a aumentar la tasa de colisiones entre núcleos de plomo por un factor de 100.

“Por eso incluso fue necesario el Sampa, porque el equipamiento actual no daría cuenta de ese aumento de la tasa de colisiones. Actualmente el Alice opera con 500 colisiones por segundo. Se espera que en 2021 logre operar con 50 mil colisiones por segundo. De este modo, los científicos esperan aumentar la probabilidad que ocurran eventos raros, tales como la producción de cuarks más pesados o la formación de antinúcleos de elementos livianos”, dijo Gameiro Munhoz.

El principal foco del Alice es el estudio del plasma de cuarks y gluones, que se forma cuando, debido al altísimo nivel de energía, esas partículas dejan de quedar confinadas en los hadrones (protones, neutrones y mesones) y pasan a moverse libremente. 

“Hace dos décadas no se sabía ni siquiera si ese plasma existía realmente. A mediados de la década de 2000, con los primeros experimentos realizados en el colisionador del Brookhaven National Laboratory, en Estados Unidos, la comunidad científica se convenció de que era posible producir el plasma de cuarks y gluones en laboratorio. Ahora estamos entrando en una etapa de mayor precisión, en la cual procuramos efectuar mediciones más precisas para entender con mayor profundidad las propiedades de ese plasma. El aumento de la frecuencia de las colisiones en el LHC corresponde a esta expectativa”, dijo Munhoz.

Wilhelmus Noije comentó que el apoyo de la FAPESP resultó fundamental para hacer factible el proyecto. El investigador estima que el desarrollo del Sampa, realizado en Brasil, podrá contribuir efectivamente en las futuras mediciones del Alice, y que permitirá así que la comunidad científica internacional obtenga muchos más datos y comprenda mejor la naturaleza fundamental de la materia. Y por extensión, la naturaleza del universo en general.