Een Braziliaanse chip zal worden gebruikt om het detectiesysteem te upgraden dat wordt gebruikt in A Large Ion Collider Experiment (ALICE), een van de vier grote experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC), 's werelds krachtigste deeltjesversneller, gelegen aan de Frans-Zwitserse grens. De chip heet SAMPA en is ontworpen aan de Engineering School van de Universiteit van São Paulo (Poli-USP) in Brazilië.

SAMPA is in verschillende landen getest en geanalyseerd door een internationale groep van experts. Het slaagde met vlag en wimpel en kreeg groen licht voor grootschalige fabricage. Het in Taiwan gevestigde TSMC zal alle 88, 000 eenheden nodig om ALICE te upgraden.

"De nieuwe chips zullen worden gebruikt om twee van ALICE's detectoren te instrumenteren:de TPC [Time Projection Chamber] en de MCH [Muon Chamber], " zegt Munhoz, universitair hoofddocent met habilitatie aan het USP's Physics Institute (IFUSP) en een van de toonaangevende onderzoekers achter de ontwikkeling van de chip. "De TPC volgt de geladen deeltjes die in de LHC worden geproduceerd. De MCH meet specifiek muonen."

Het is de moeite waard eraan te herinneren dat het muon een elementair deeltje is dat lijkt op het elektron, ook met een elektrische lading van ?1e en een spin van 1/2, maar met 200 keer zijn massa. Het muon is geclassificeerd als een lepton.

De ontwikkeling van SAMPA had de steun van de Sao Paulo Research Foundation.

De rol van SAMPA in ALICE begrijpen

Munhoz legde uit hoe de TPC werkt en wat de rol van SAMPA in het apparaat is. De TPC is het belangrijkste detectiesysteem van ALICE. Het bestaat in feite uit twee concentrische cilinders, waarvan de grootste 5 m lang en 5 m in diameter is. Het gebied tussen de twee cilinders is aan beide uiteinden gesloten en gevuld met gas. De deeltjesbundels die bestemd zijn om te botsen, reizen langs kanalen in de kleinere cilinder, waar de omgeving overwegend vacuüm is.

De ionenbotsingen produceren duizenden deeltjes, die door de wand van de binnencilinder gaan, de gasatomen ioniseren, en passeren de buitenste cilinder voordat ze worden geabsorbeerd.

Tussen de gesloten uiteinden wordt een groot elektrisch potentiaalverschil aangelegd. Hierdoor worden elektronen van de gasmoleculen geslagen, dan worden de elektronen naar beide uiteinden van de cilinder gedreven. De posities van de lasten worden bepaald, en van deze, de paden en de aard van de deeltjes die bij de botsingen worden geproduceerd, worden geïdentificeerd.

Om de posities van de treffers en de incidentladingswaarden te bepalen, de uiteinden van de cilinder zijn bedekt met roosters van meer dan 500, 000 pads of kanalen. Elke set van 32 kanalen wordt voorzien van een SAMPA-chip. De MCH werkt iets anders, maar het principe is hetzelfde.

SAMPA optimaliseert het scannen van processen twee keer zo groot

"De taak van elke chip is om de incidentkosten uit te lezen, zet de uitlezing om in een spanningssignaal, zet het signaal om van analoog naar digitaal, interne digitale verwerking uitvoeren, en de informatie naar externe verwerkers te sturen, " zegt Munhoz, die het door FAPESP gefinancierde thematische project coördineert. "Alle chips die samen werken, zullen die beroemde beelden van botsingen produceren die jets van duizenden deeltjes laten zien, die elk een specifiek pad volgen."

SAMPA zal de huidige generatie chips vervangen die in ALICE worden gebruikt. In de bestaande configuratie voor elke set van 16 kanalen zijn twee chips nodig:één leest alleen ladingen uit en genereert het bijbehorende spanningssignaal, terwijl de andere het analoge signaal omzet in bits en digitale voorverwerking van de bits uitvoert. Met veel compactere elektronica, één SAMPA-chip zal zowel bewerkingen uitvoeren als 32 kanalen verwerken in plaats van 16.

Zodra de chips in Taiwan zijn geproduceerd, ze worden één voor één getest in Zweden. Ze zullen in 2019-20 in ALICE worden geïnstalleerd, wanneer de hele LHC een upgrade zal ondergaan om het aantal botsingen tussen loden kernen met een factor 100 te verhogen.

"Dit zelf maakt SAMPA noodzakelijk omdat de bestaande apparatuur zo'n enorme toename van het aanvaringspercentage niet aan zou kunnen, " zei Munhoz. "Vandaag, ALICE werkt met 500 botsingen per seconde. in 2021, het zal naar verwachting werken op 50, 000 botsingen per seconde. De wetenschappers voorzien dat dit de kans op zeldzame gebeurtenissen, zoals de productie van zwaardere quarks of de vorming van anti-kernen met lichte elementen, zal vergroten."

De belangrijkste focus van ALICE is de studie van quark-gluon plasma, die wordt gevormd wanneer zeer hoge energieniveaus de bindingen tussen quarks en gluonen verbreken, zodat ze niet langer in hadronen (protonen, neutronen, mesonen) en vrij bewegen.

"Twee decennia geleden niemand wist of zo'n plasma echt bestond, "Zei Munhoz. "In het midden van de jaren 2000, met de eerste experimenten uitgevoerd bij RHIC in Brookhaven National Laboratory in de VS, de wetenschappelijke gemeenschap raakte ervan overtuigd dat quark-gluonplasma in het laboratorium kon worden geproduceerd. We komen nu in een fase van grotere precisie, waarin we op zoek zijn naar nauwkeurigere metingen om de eigenschappen van dit plasma beter te begrijpen. De verhoogde frequentie van botsingen in de LHC moet dit mogelijk maken."

Volgens Van Noije De steun van FAPESP is van fundamenteel belang geweest om het project tot een goed einde te brengen. Hij verwacht dat de ontwikkeling van SAMPA in Brazilië effectief zal bijdragen aan toekomstige metingen door ALICE, waardoor de internationale wetenschappelijke gemeenschap veel meer gegevens en een dieper begrip van de fundamentele aard van materie kan verkrijgen en, door verlenging, van het universum zelf.