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Ingeniería electrónica

El chip de las colisiones de partículas

Científicos brasileños desarrollan y prueban un dispositivo que se instalará en el Cern

Eduardo Cesar El chip Sampa es el cuadrado menor central, con un centímetro de ancho, posicionado sobre una placa de pruebaEduardo Cesar

Un pequeño chip de menos de 1 centímetro cuadrado será uno de los aportes de Brasil a la detección de partículas elementales en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, en inglés), operado en la frontera entre Francia y Suiza por la Organización Europea para la Investigación Nuclear, conocida como Cern. Este dispositivo, denominado Sampa, se encuentra en fase de desarrollo a cargo de científicos de la Universidad de São Paulo (USP), la Universidad de Campinas (Unicamp) y el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). El proyecto se puso en marcha en 2013 y en la actualidad va por el segundo prototipo, que pasa por pruebas de laboratorio en Brasil, Noruega, Suecia, Francia, Rusia y Estados Unidos. Se estima que comenzará a utilizárselo en 2020.

El Sampa estará instalado en uno de los cuatro detectores de partículas del LHC, el Alice (sigla de A Large Ion Collider Experiment), en el cual trabajan alrededor de 1.800 científicos de 174 instituciones de 42 países, Brasil inclusive. “El objetivo es reproducir en el LHC el plasma de cuarks y gluones, el estado de la materia que sólo habría existido durante algunos microsegundos tras el Big Bang, la gran explosión que habría dado origen al Universo”, explica el físico Marcelo Gameiro Munhoz, del Instituto de Física de la USP.

Los cuarks y los gluones no existen libres en la naturaleza. Están confinados dentro de los hadrones, partículas de gran masa que se dividen entre bariones y mesones, tales como protones, neutrones y mesones pi, por ejemplo. “Cuando se intenta separarlos no surgen cuarks libres. Pero al colisionar con núcleos de plomo a altísimas energías, los cuarks y los gluones forman un plasma, una especie de sopa de partículas que fluye como un líquido”, explica Gameiro Munhoz. El principal objetivo del experimento Alice es estudiar ese plasma. Entre los diversos dispositivos que lo componen está el TPC (sigla de Time Projection Chamber). Gameiro Munhoz explica que el TPC tiene un formato similar al de un barril, con 5 metros (m) de longitud y 5 m de diámetro, está lleno de gas y está atravesado longitudinalmente por una canalización de berilio, prácticamente sin aire adentro. “Por esa canalización pasan, a una velocidad cercana a la de la luz, haces de iones de plomo en sentido opuesto, para que colisionen”, comenta el científico. “La colisión genera una gran cantidad de diversos tipos de partículas.”

Antonio Saba/ Cern Cámara del experimento Alice, en el Cern, donde el Sampa reemplazará a dos chips, uno analógico y otro digitalAntonio Saba/ Cern

Al pasar por el gas, las partículas generadas en la colisión arrancan electrones que se escurren hacia los extremos del TCP, donde están instalados dos tipos de chips, uno de ellos analógico, para recibir y amplificar la carga, generar un pulso eléctrico y enviarlo a un chip digital. Transformados en bits (señales digitales), esos pulsos quedan almacenados para su posterior análisis a cargo de los científicos. Así es posible determinar qué partículas se generaron en la colisión, aparte de verificar si se formó el plasma de cuarks y gluones. “El Sampa reemplazará a esos dos chips, realizando por sí solo el trabajo de ambos”, explica Wilhelmus Adrianus Maria van Noije, del Laboratorio de Sistemas Integrables (LSI) de la Escuela Politécnica (Poli) de la USP, coordinador del proyecto de desarrollo del chip.

La necesidad de crear del Sampa surgió en 2012, con la decisión del Cern de actualizar el LHC para que la tasa de colisiones aumentase por un factor de 10 a partir de 2020. Una de las limitaciones actuales es el hecho de que los chips no están en condiciones de procesar una tasa tan grande de colisiones. Según Van Noije, el Sampa resolverá este problema. “Tendrá 32 canales de lectura, el doble que los dispositivos empleados actualmente”, comenta. Cuando surgió el programa de actualización del LHC, según Gameiro Munhoz, se entablaron discusiones acerca de qué grupos de los que integran el Alice podrían contribuir a su modernización. “Fueron largos debates para identificar qué debía construirse y el conocimiento y la experiencia que reunía de cada grupo”, comenta Gameiro Munhoz, quien ya conocía el LSI de la Poli.

“Luego de la presentación y de las primeras discusiones internas en Brasil, invitamos a algunos investigadores europeos participantes en el Alice a visitarnos y a conocer al grupo del LSI. Vinieron y coincidieron en adjudicarles a los grupos brasileños la responsabilidad de la creación del dispositivo”. El diseño del Sampa estuvo a cargo de científicos brasileños, y la producción física de los dos prototipos quedó en manos de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), de Taiwán. “Desafortunadamente, no existe una empresa en Brasil capaz de fabricar un circuito integrado como el Sampa”, explica Gameiro Munhoz. Se producirán 80 mil Sampas en la empresa de Taiwán, que se les entregarán al LHC en 2020. El Alice requiere 50 mil, pero el 30% del total puede dañarse en la etapa de montaje de los circuitos impresos. “Nuestra parte consistió en realizar el trabajo intelectual de proyectar el chip y sus componentes y diseñar los circuitos cumpliendo con las especificaciones del Cern”, dice Gameiro Munhoz.

Proyectos
1. Desarrollo de instrumentación científica para el experimento Alice del LHC-Cern (nº 14/12664-3); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular (Proyectos Especiales); Investigador responsable Wilhelmus van Noije (USP); Inversión R$ 5.531.559,62
2. Proyecto de un Asic de adquisición y procesamiento digital de señales para el time projection chamber del experimento Alice (nº 13/06885-4); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Wilhelmus van Noije (USP); Inversión R$ 1.218.001,52
3. Física nuclear de altas energías en el RHIC y en el LHC (n° 12/04583-8); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Marcelo Gameiro Munhoz (USP); Inversión R$ 4.277.589,35