Se utilizará un chip brasileño para actualizar el sistema de detección utilizado en A Large Ion Collider Experiment (ALICE), uno de los cuatro experimentos principales en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más potente del mundo, ubicado en la frontera franco-suiza. El chip se llama SAMPA y fue diseñado en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de São Paulo (Poli-USP) en Brasil.

SAMPA ha sido probado en varios países y analizado por un grupo internacional de expertos. Pasó con gran éxito y recibió luz verde para la fabricación a gran escala. TSMC, con sede en Taiwán, producirá los 88, 000 unidades necesarias para actualizar ALICE.

"Los nuevos chips se utilizarán para instrumentar dos de los detectores de ALICE:el TPC [Cámara de proyección de tiempo] y el MCH [Cámara de muones], "dice Munhoz, profesor asociado con habilitación en el Instituto de Física de la USP (IFUSP) y uno de los principales investigadores detrás del desarrollo del chip. "El TPC rastrea las partículas cargadas producidas en el LHC. El MCH mide específicamente los muones".

Vale la pena recordar aquí que el muón es una partícula elemental similar al electrón, también con una carga eléctrica de? 1e y un giro de 1/2, pero con 200 veces su masa. El muón se clasifica como leptón.

El desarrollo de SAMPA contó con el apoyo de la Fundación de Investigación de Sao Paulo.

Comprender el papel de SAMPA en ALICE

Munhoz explicó cómo funciona el TPC y el papel de SAMPA en el dispositivo. El TPC es el principal sistema de detección de ALICE. Básicamente consta de dos cilindros concéntricos, el mayor de los cuales mide 5 m de largo y 5 m de diámetro. La región entre los dos cilindros está cerrada en ambos extremos y llena de gas. Los haces de partículas que están destinados a colisionar viajan a lo largo de los canales dentro del cilindro más pequeño, donde el ambiente es predominantemente vacío.

Las colisiones de iones producen miles de partículas, que atraviesan la pared del cilindro interior, ionizar los átomos de gas, y pasar por el cilindro exterior antes de ser absorbido.

Se aplica una gran diferencia de potencial eléctrico entre los extremos cerrados. Esto elimina los electrones de las moléculas de gas, luego, los electrones se dirigen a cualquier extremo del cilindro. Se determinan las posiciones de los cargos, y de estos, Se identifican las trayectorias y la naturaleza de las partículas producidas en las colisiones.

Para determinar las posiciones de los impactos y los valores de carga de incidentes, los extremos del cilindro están cubiertos con rejillas que comprenden más de 500, 000 pads o canales. Cada conjunto de 32 canales estará equipado con un chip SAMPA. El MCH funciona de manera algo diferente, pero el principio es el mismo.

SAMPA optimiza el proceso escaneando el doble del área

"El trabajo que realiza cada chip es leer los cargos del incidente, transformar la lectura en una señal de voltaje, convertir la señal de analógica a digital, realizar procesamiento digital interno, y enviar la información a procesadores externos, "dice Munhoz, quien coordina el Proyecto Temático financiado por la FAPESP. "Todos los chips que operan juntos producirán esas famosas imágenes de colisiones que muestran chorros de miles de partículas, cada uno de los cuales sigue un camino específico ".

SAMPA reemplazará la generación actual de chips utilizados en ALICE. En la configuración existente, se necesitan dos chips para cada conjunto de 16 canales:uno solo lee las cargas y genera la señal de voltaje correspondiente, mientras que el otro convierte la señal analógica en bits y realiza el preprocesamiento digital de los bits. Con una electrónica mucho más compacta, un chip SAMPA realizará ambas operaciones y procesará 32 canales en lugar de 16.

Una vez que los chips se hayan producido en Taiwán, se probarán uno por uno en Suecia. Se instalarán en ALICE en 2019-20, cuando todo el LHC se actualizará para aumentar la tasa de colisiones entre los núcleos de plomo en un factor de 100.

"Esto en sí mismo hace que SAMPA sea necesario porque el equipo existente no podría manejar un aumento tan grande en la tasa de colisiones, "Dijo Munhoz." Hoy, ALICE está operando a 500 colisiones por segundo. En 2021, se espera que opere a los 50, 000 colisiones por segundo. Los científicos prevén que esto aumentará la probabilidad de eventos raros como la producción de quarks más pesados ​​o la formación de antinúcleos de elementos ligeros ".

El enfoque principal de ALICE es el estudio del plasma de quark-gluones, que se forma cuando niveles muy altos de energía rompen los enlaces entre quarks y gluones para que ya no estén confinados en hadrones (protones, neutrones, mesones) y se mueven libremente.

"Hace dos décadas, nadie sabía si tal plasma realmente existía, ", Dijo Munhoz." A mediados de la década de 2000, con los primeros experimentos realizados en RHIC en el Laboratorio Nacional Brookhaven en los EE. UU., la comunidad científica se convenció de que el plasma de quarks-gluones se podía producir en el laboratorio. Ahora estamos entrando en una fase de mayor precisión, en el que buscamos mediciones más precisas para lograr una comprensión más profunda de las propiedades de este plasma. La mayor frecuencia de colisiones en el LHC debería hacer esto posible ".

Según Van Noije, El apoyo de la FAPESP ha sido fundamental para hacer realidad el proyecto. Espera que el desarrollo de SAMPA en Brasil contribuya eficazmente a futuras mediciones de ALICE, permitir a la comunidad científica internacional obtener muchos más datos y una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental de la materia y, por extensión, del universo mismo.