El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), la joya de la investigación en física de partículas, plantea desafíos significativos para la electrónica. Situado en un túnel de 27 kilómetros que atraviesa la frontera entre Suiza y Francia, este instrumento científico acelera partículas a velocidades cercanas a la de la luz antes de hacerlas colisionar. Los resultados de estas colisiones generan una cantidad ingente de datos y un entorno radiactivo que puede dañar casi cualquier equipo electrónico convencional.
Este fenómeno representa un reto para los físicos de CERN, quienes buscan desentrañar los secretos del bosón de Higgs y otras partículas fundamentales. Los componentes disponibles en el mercado no pueden soportar las duras condiciones del acelerador, y la escasa demanda de circuitos resistentes a la radiación desanima a los fabricantes de chips comerciales. Como señala Peter Kinget, profesor de Ingeniería Eléctrica en Columbia Engineering, «la industria no podía justificar el esfuerzo, así que la academia tuvo que intervenir».
Kinget lidera un equipo que ha diseñado chips de silicio especializados, capaces de recopilar datos en uno de los entornos más difíciles de la física de partículas. Su último trabajo, publicado el 1 de julio en el IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society, destaca la importancia de la colaboración entre físicos e ingenieros para avanzar en la exploración de preguntas fundamentales sobre el universo. John Parsons, profesor de física en la Universidad de Columbia y líder del equipo que trabaja en el detector ATLAS, enfatiza que «desarrollar instrumentación de última generación es crucial para nuestro éxito».
Diseño de Circuitos Resistentes a la Radiación
Los dispositivos diseñados por el equipo se conocen como convertidores analógico-digitales (ADC). Su función es captar las señales eléctricas producidas por las colisiones de partículas en los detectores de CERN y traducirlas en datos digitales que los investigadores pueden analizar. En el detector ATLAS, las pulsaciones eléctricas generadas por las colisiones son medidas mediante un dispositivo llamado calorímetro de argón líquido, una enorme cuba de argón ultracongelado que registra un rastro electrónico de cada partícula que atraviesa. Los chips ADC de Columbia convierten estas delicadas señales analógicas en mediciones digitales precisas, capturando detalles que ningún componente existente podría registrar con fiabilidad.
Rui (Ray) Xu, estudiante de doctorado en Columbia Engineering y parte del proyecto desde su etapa como estudiante de pregrado, explica que «probamos componentes comerciales estándar, y simplemente fallaron; la radiación era demasiado intensa». Así, el equipo se dio cuenta de que si querían algo que funcionara, tendrían que diseñarlo ellos mismos. Para ello, utilizaron procesos de semiconductores comerciales validados por CERN en términos de resistencia a la radiación y aplicaron técnicas innovadoras a nivel de circuitos. El diseño resultante es lo suficientemente resistente como para soportar las severas condiciones del LHC durante más de una década.
Se espera que dos chips ADC diseñados en Columbia se integren en la electrónica actualizada del experimento ATLAS. El primero, llamado ADC de activación, ya está en funcionamiento en CERN. Este chip, inicialmente descrito en 2017 y validado en 2022, permite al sistema de activación filtrar alrededor de mil millones de colisiones cada segundo, seleccionando instantáneamente solo los eventos más prometedores desde el punto de vista científico para su registro. Funciona como un guardián digital que decide qué merece una investigación más profunda.
El segundo chip, el ADC de adquisición de datos, ha superado recientemente sus pruebas finales y está en producción. Este chip, que se describió en un artículo de IEEE a principios de este año, se instalará como parte de la próxima actualización del LHC, permitiendo a los físicos explorar fenómenos como el bosón de Higgs, cuyo descubrimiento en CERN hizo titulares en 2012 y le valió el Premio Nobel de Física en 2013, pero cuyas propiedades exactas siguen siendo un misterio.
Ambos chips son un claro ejemplo de la colaboración directa entre físicos fundamentales e ingenieros. Rui Xu resalta que «la oportunidad como ingeniero de contribuir tan directamente a la ciencia fundamental es lo que hace especial este proyecto», que también ha creado oportunidades para colaborar entre múltiples instituciones. 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 y de la Universidad de Texas.
Los componentes diseñados en Columbia desempeñan un papel central en una colaboración internacional más amplia, coordinada en parte por los Laboratorios Nevis de Columbia. A medida que la investigación en CERN avanza, estos componentes contribuirán a los sistemas de adquisición de datos que apoyarán a los físicos en la análisis de fenómenos que superen los límites actuales del conocimiento.
