Engenharia eletrônica

Chip das colisões de partículas

Pesquisadores brasileiros desenvolvem e testam dispositivo que será instalado no Cern

Wilhelmus Van Noije
Um pequeno chip com menos de 1 centímetro quadrado será uma das contribuições do Brasil para a detecção de partículas elementares no Grande Colisor de Hádrons (LHC, em inglês), operado na fronteira entre a França e a Suíça pela Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, conhecida como Cern. Chamado de Sampa, o dispositivo está sendo desenvolvido por pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP), Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). O projeto começou em 2013 e hoje está no segundo protótipo, que passa por testes em laboratórios do Brasil, Noruega, Suécia, França, Rússia e Estados Unidos. A previsão é de que comece a ser usado em 2020.

O Sampa será instalado em um dos quatro detectores de partículas do LHC, o Alice (sigla de A Large Ion Collider Experiment), no qual trabalham cerca de 1.800 pesquisadores de 174 instituições de 42 países, incluindo o Brasil. “O objetivo é reproduzir no LHC o plasma de quarks e glúons, estado da matéria que teria existido apenas por alguns microssegundos após o Big Bang, a grande explosão que teria dado origem ao Universo”, explica o físico Marcelo Gameiro Munhoz, do Instituto de Física da USP.

Quarks e glúons não mais existem livres na natureza. Estão confinados dentro dos hádrons, partículas de grande massa que se dividem entre bárions e mésons, como prótons, nêutrons e méson pi, por exemplo. “Quando se tenta separá-los não surgem quarks livres. Mas ao colidir núcleos de chumbo a altíssimas energias os quarks e glúons formam um plasma, uma espécie de sopa de partículas que flui como um líquido”, explica Munhoz. O principal objetivo do experimento Alice é estudar esse plasma. Entre os vários dispositivos que o compõem está o TPC (sigla de Time Projection Chamber). Munhoz explica que o TPC tem formato semelhante a um barril, com 5 metros (m) de comprimento e 5 m de diâmetro, cheio de gás, atravessado longitudinalmente por uma canalização feita de berílio, praticamente sem ar dentro. “Por essa canalização passam, a uma velocidade próxima à da luz, feixes de íons de chumbo, em sentido contrário, para que colidam”, conta Munhoz. “A colisão gera grande quantidade de vários tipos de partículas.”

Câmara do experimento Alice, no Cern, onde o Sampa substituirá dois outros chips, um analógico e outro digital

Imagem: Antônio Saba / Cern Câmara do experimento Alice, no Cern, onde o Sampa substituirá dois outros chips, um analógico e outro digitalImagem: Antônio Saba / Cern

Ao passar pelo gás, as partículas geradas na colisão arrancam elétrons que escoam para as extremidades do TCP, onde estão instalados dois tipos de chips, um analógico, para receber e amplificar a carga, gerar um pulso elétrico e enviá-lo para um chip digital. Transformados em bits (sinais digitais), esses pulsos são armazenados para posterior análise dos pesquisadores. Com isso, é possível determinar quais partículas foram geradas na colisão, além de verificar se o plasma de quarks e glúons foi formado. “O Sampa vai substituir esses dois chips, realizando sozinho o trabalho de ambos”, explica Wilhelmus Adrianus Maria van Noije, do Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) da Escola Politécnica (Poli) da USP, coordenador do projeto de desenvolvimento do chip.

A necessidade da criação do Sampa surgiu, em 2012, com a decisão do Cern de atualizar o LHC para que a taxa de colisões aumentasse por um fator de 10 a partir de 2020. Uma das limitações atuais é o fato de os chips não terem condições de processar uma taxa tão grande de colisões. Segundo Van Noije, o Sampa resolverá o problema. “Terá 32 canais de leitura, o dobro dos dispositivos usados hoje”, conta. Quando surgiu o programa de atualização do LHC, segundo Munhoz, iniciaram-se discussões sobre quais grupos que compõem o Alice poderiam contribuir com a modernização. “Foram longos debates para identificar o que precisava ser construído e o conhecimento e a experiência de cada grupo”, conta Munhoz, que já conhecia o LSI da Poli.

“Após a apresentação e as primeiras discussões internas no Brasil, convidamos alguns pesquisadores europeus participantes do Alice para nos visitar e conhecer o grupo do LSI. Eles vieram e concordaram em atribuir aos grupos brasileiros a responsabilidade pela criação do dispositivo.” O design do Sampa foi feito por pes-quisadores brasileiros e a produção física dos dois protótipos realizada pela Taiwan Semiconductor Manufacturing Com-pany (TSMC), de Taiwan. “Infelizmente não existe empresa no Brasil capaz de fabricar um circuito integrado como o Sampa”, explica Munhoz. Serão produzidos 80 mil Sampas pela empresa de Taiwan que deverão ser entregues ao LHC até 2020. O Alice precisa de 50 mil, mas 30% do total pode se danificar na etapa de montagem dos circuitos impressos. “Nossa parte foi realizar o trabalho intelectual de projetar o chip, seus componentes e desenhar os circuitos, cumprindo as especificações do Cern”, diz Munhoz.

Projetos
1. Desenvolvimento de instrumentação científica para o experimento Alice do LHC-Cern (nº 14/12664-3); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular (Projetos Especiais); Pesquisador responsável Wilhelmus van Noije (USP); Investimento R$ 5.531.559,62.
2. Projeto de um Asic de aquisição e processamento digital de sinais para o time projection chamber do experimento Alice (nº 13/06885-4); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular; Pesquisador responsável Wilhelmus van Noije (USP); Investimento R$ 1.218.001,52.
3. Física nuclear de altas energias no RHIC e LHC (n° 12/04583-8); Modalidade Projeto Temático; Pesquisador responsável Marcelo Gameiro Munhoz (USP); Investimento R$ 4.277.589,35.