Crean tecnología a prueba de radiación para avanzar en los grandes descubrimientos de la física

El Gran Colisionador de Hadrones representa un duro instrumento para la electrónica. Está situado dentro de un túnel de 27 kilómetros de longitud que discurre en círculo bajo la frontera entre Suiza y Francia.

Acelera partículas a velocidades cercanas a la de la luz antes de colisionarlas. El objetivo: generar diminutas vorágines de partículas y energía que sugieran respuestas a preguntas fundamentales sobre los componentes básicos de la materia.

Las colisiones producen una enorme cantidad de datos y suficiente radiación para alterar los bits y la lógica dentro de casi cualquier pieza de equipo electrónico.

Esto supone un desafío para los físicos del CERN que intentan profundizar en los misterios del bosón de Higgs y otras partículas fundamentales, ya que los componentes comerciales simplemente no pueden sobrevivir a las duras condiciones del acelerador.

Peter Kinget, profesor Bernard J. Lechner de Ingeniería Eléctrica en Columbia Engineering, lidera el equipo que diseñó chips de silicio especializados que recopilan datos en uno de los entornos más hostiles e importantes de la física de partículas.

"La industria simplemente no justificaba el esfuerzo, así que la academia tuvo que intervenir", explica Kinget. "Los próximos descubrimientos del LHC serán activados por un chip de Columbia y medidos por otro".

Los dispositivos que diseñó el equipo se denominan convertidores analógico-digitales (ADC). Su función es capturar las señales eléctricas producidas por las colisiones de partículas dentro de los detectores del CERN y traducirlas a datos digitales que los investigadores puedan analizar.

Trabajan específicamente en el detector ATLAS, donde los pulsos eléctricos generados por las colisiones se miden mediante un calorímetro de argón líquido. Este dispositivo captura un rastro electrónico de cada partícula que lo atraviesa.

En lugar de crear métodos de fabricación completamente nuevos, el equipo empleó procesos de semiconductores comerciales validados por el CERN en cuanto a resistencia a la radiación. Aplicaron técnicas innovadoras a nivel de circuito, seleccionando y dimensionando cuidadosamente los componentes, diseñando arquitecturas para minimizar los daños por radiación y construyendo sistemas digitales que detectan y corrigen errores automáticamente en tiempo real.

Se espera que dos chips ADC diseñados por Columbia se integren en la electrónica mejorada del experimento ATLAS. El primero, llamado ADC de disparo, ya está en funcionamiento en el CERN y permite al sistema filtrar cerca de mil millones de colisiones por segundo para seleccionar instantáneamente solo los eventos más prometedores científicamente. Actúa como un controlador digital que decide qué merece investigación más profunda.

El segundo chip, el convertidor analógico-digital de adquisición de datos, superó recientemente sus pruebas finales y ya está en plena producción para instalarse como parte de la próxima actualización del LHC. Digitaliza con gran precisión las señales seleccionadas para permitir a los físicos explorar fenómenos como el bosón de Higgs.

El descubrimiento del bosón de Higgs en el CERN fue noticia en 2012 y le valió el Premio Nobel de Física en 2013, pero sus propiedades exactas aún son un misterio.

Los chips fueron diseñados por ingenieros eléctricos de Columbia y de la Universidad de Texas en Austin, en estrecha colaboración con físicos de los Laboratorios Nevis de Columbia. El desarrollo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía como parte de una colaboración internacional más amplia que ayuda a los físicos a analizar fenómenos que trascienden los límites actuales del conocimiento.