Científicos brasileños desarrollan un microchip para el LHC

El dispositivo, bautizado Sampa, se utilizará en un experimento que apunta a simular el estado de la materia en los primeros microsegundos tras el Big Bang

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – Investigadores del Instituto de Física (IF) y de la Escuela Politécnica (Poli) de la Universidad de São Paulo (USP), en colaboración con el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) y el Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (Unicamp), están desarrollando un microchip que se utilizará en uno de los experimentos del mayor acelerador de partículas del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), con sede en Suiza.

La segunda versión del prototipo del chip, desarrollado en el marco del “Proyecto de un Asic de adquisición y procesamiento digital de señales para el Time Projection Chamber del Experimento ALICE”, que cuenta con el apoyo de la FAPESP, estará lista durante este mes de julio.

“La idea es que esta segunda versión del prototipo del chip pase por pruebas en septiembre y, si todo marcha bien, la producción comenzará en 2016”, dijo Marcelo Gameiro Munhoz, docente del IF-USP que participa en el proyecto, en declaraciones a Agência FAPESP.

De acuerdo con el profesor, el chip, al que se le ha puesto el nombre de Sampa, se utilizará en el ALICE (las siglas de A Large Ion Collider Experiment), uno de los cuatro grandes experimentos del LHC, que en el cual participan alrededor de 1.300 científicos de más de 30 instituciones de investigación del mundo, el IF-USP inclusive.

El experimento pasará durante los próximos años por un proceso de actualización, con el objetivo de estudiar fenómenos más raros generados por partículas producidas en colisiones de iones pesados a partir de 2020, cuando se elevará el nivel de producción de colisiones en el LHC de 500 hercios (Hz) a alrededor de 50 kilohercios (kHz).

“El LHC interrumpió sus actividades en 2013 y está ahora reanudándolas para incrementar la energía en el centro de masa del colisionador [de entre 7 y 8 teraelectronvoltios (TeV) a 13 TeV]”, explicó Gameiro Munhoz.

“Entre 2018 y 2019 está prevista una nueva paralización con el objetivo de elevar el nivel de colisiones del acelerador. Pero, para ello, el ALICE también debe pasar por un proceso de actualización, pues el actual sistema de detección del experimento no logrará funcionar con el aumento del índice de colisiones”, añadió.

Según el profesor, una de las alteraciones que deberán efectuarse en el ALICE durante los próximos años reside en los dispositivos microelectrónicos –los chips– integrados a dos de los detectores empleados en el experimento: el TPC (las siglas de Time Projection Chamber) –el principal sistema de reconstrucción de las trayectorias de las partículas del experimento– y el Muon Chamber, un detector frontal de muones (partículas parecidas a los electrones, pero 200 veces más pesadas).

A los efectos de lograr detectar la gran cantidad de colisiones de iones pesados que se generarán en el LHC a partir de 2020, los chips conectados al TPC y al Muon Chamber deberán funcionar continuamente, sin emplear el denominado trigger –o gatillo en castellano–, el sistema utilizado para identificar los eventos en un detector de partículas, que se grabarán para su posterior análisis.

“El trigger dispara una señal que indica que se produjo una colisión de partículas en el detector y, normalmente, los chips conectados al TPC y al Muon Chamber comienzan a procesar y almacenar datos recién cuando llega esa señal”, explicó Gameiro Munhoz.

“Con la elevación del índice de colisiones, los chips empezarán a adquirir datos en forma continua, sin necesidad de un gatillo que apunte cuándo deben comenzar a operar”, afirmó.

Múltiples funciones

De acuerdo con Gameiro Munhoz, el chip Sampa se proyectó para efectuar la lectura de datos de detectores de gas como el TPC y el Muon Chamber.

Ambos detectores poseen una cámara con gas, el cual al ser atravesado por una partícula, es ionizado, es decir, la partícula le toma sus electrones.

Un sensor ubicado en el extremo de los detectores multiplica la cantidad de electrones extraídos del gas y genera un pulso de carga que es captado por un conjunto de chips conectados actualmente al TPC y al Muon Chamber, que amplifica y le da forma a esa señal.

Luego otro grupo de chips transforma dicha señal en un conjunto de bits y realiza un pre procesamiento digital de esos datos, con el fin de disminuir la cantidad de información que se almacenará y cuyo análisis posterior estará a cargo de los científicos que participan en el experimento, explicó Gameiro Munhoz.

“El gran reto del Sampa consistirá en integrar en un mismo circuito electrónico ese conjunto de funciones que actualmente desempeñan varios chips”, afirmó.

Se producirán 80 mil chips para la instrumentación de los detectores TPC y Muon Chamber, con un costo estimado en un millón de dólares.

El chip, elaborado en silicio, mide 9 milímetros (mm) de longitud por 9 mm de ancho. Su fabricación estará a cargo de una empresa de Taiwán, toda vez que no existe una industria en Brasil con capacidad de producir chips con las especificaciones del Sampa.

“Como el desafío del Sampa consiste en integrar diversas funciones en un único chip, se requiere contar con una tecnología avanzada para hacer que quepa todo en un mismo circuito electrónico”, dijo Gameiro Munhoz.

De acuerdo con el profesor, la inversión de un millón de dólares destinada a producir el chip representará un 0,5% del costo total del ALICE, presupuestado en 200 millones de dólares, y constituirá el primer aporte en instrumentación para el experimento a cargo del grupo de científicos brasileños participantes en el mismo.

“Nosotros nos integramos al ALICE en 2006, y desde entonces tenemos acceso a los mismos datos de cualquier otro asociado del experimento; y hemos realizado investigaciones científicas en colaboración. Sin embargo, hasta ahora no habíamos logrado colaborar en la construcción de los detectores”, afirmó Gameiro Munhoz.

El experimento ALICE se orienta al estudio del llamado plasma de quarks y gluones, un estado de la materia que se estima que haya existido durante los primeros microsegundos luego del nacimiento del Universo, el Big Bang.

Los quarks y los gluones se encuentran siempre confinados dentro de hadrones –tal como se les denomina a las partículas de gran masa, tales como los protones, los neutrones y el mesón pi–, que nunca se han observado en estado libre, fuera de esas partículas.

Al formar un plasma de quarks y gluones en laboratorio, sería posible crear una “sopa” de esas partículas no confinadas en los hadrones y estudiar el fenómeno del confinamiento, que constituye aún un misterio para la Física, afirmó Gameiro Munhoz.

“Como el ALICE se aboca más a medir la trayectoria de las partículas producidas en colisiones de núcleos, que son centenas de veces más numerosas que en las colisiones de protones, el experimento genera un conjunto mayor de datos por colisión que otros experimentos del LHC como el ATLAS y el CMS [que en 2012 comprobaron la existencia del bosón de Higgs, una partícula que explica el origen de la masa de las partículas elementales], afirmó.

“El chip Sampa deberá operar con una cantidad aún mayor de datos que se generarán en el experimento a partir de 2020”, sostuvo.

De acuerdo con el científico, aparte del ALICE, existen otros experimentos fuera del LHC interesados en el chip Sampa: ése es el caso del Solenoidal Tracker At RHIC (Star) del acelerador Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), con sede en Estados Unidos.

Y aparte de su uso en detectores de partículas, se encuentran en estudio otras aplicaciones del chip, como por ejemplo producir imágenes de rayos X “en colores” –que registran la frecuencia de los rayos X emitidos– y en la medición de neutrones emitidos en reactores nucleares.

“Como el chip Sampa es bastante compacto, el dispositivo es muy útil en la instrumentación de detectores grandes como los del experimento ALICE, y también de detectores de neutrones orientados hacia la neutrongrafía [la técnica de obtención de imágenes mediante neutrones]”, afirmó Gameiro Munhoz.