Ett brasilianskt chip kommer att användas för att uppgradera detektionssystemet som används i A Large Ion Collider Experiment (ALICE), ett av de fyra stora experimenten vid Large Hadron Collider (LHC), världens mest kraftfulla partikelaccelerator, ligger vid den fransk-schweiziska gränsen. Chipet heter SAMPA och designades vid University of São Paulos Engineering School (Poli-USP) i Brasilien.

SAMPA har testats i flera länder och analyserats av en internationell expertgrupp. Den klarade sig med råge och fick grönt ljus för storskalig tillverkning. Taiwanbaserade TSMC kommer att producera alla 88, 000 enheter krävs för att uppgradera ALICE.

"De nya chipsen kommer att användas för att instrumentera två av ALICEs detektorer:TPC [Time Projection Chamber] och MCH [Muon Chamber], " säger Munhoz, docent med habilitering vid USP:s Physics Institute (IFUSP) och en av de ledande forskarna bakom chipets utveckling. "TPC spårar de laddade partiklarna som produceras i LHC. MCH mäter specifikt muoner."

Det är värt att komma ihåg här att myonen är en elementarpartikel som liknar elektronen, även med en elektrisk laddning på ?1e och ett snurr på 1/2, men med 200 gånger sin massa. Myonen klassificeras som en lepton.

Utvecklingen av SAMPA hade stöd från Sao Paulo Research Foundation.

Förstå SAMPAs roll i ALICE

Munhoz förklarade hur TPC fungerar och SAMPAs roll i enheten. TPC är ALICE:s huvuddetektionssystem. Den består i princip av två koncentriska cylindrar, den största är 5 m lång och 5 m i diameter. Området mellan de två cylindrarna är stängt i båda ändar och fyllt med gas. Partikelstrålarna som är avsedda att kollidera färdas längs kanaler inuti den mindre cylindern, där miljön till övervägande del är vakuum.

Jonkollisioner producerar tusentals partiklar, som passerar genom den inre cylinderns vägg, jonisera gasatomerna, och passera genom den yttre cylindern innan den absorberas.

En stor elektrisk potentialskillnad appliceras mellan de slutna ändarna. Detta slår bort elektroner från gasmolekylerna, sedan drivs elektronerna till vardera änden av cylindern. Anklagelsernas positioner bestäms, och från dessa, banorna och arten av de partiklar som produceras i kollisionerna identifieras.

För att bestämma positionerna för träffarna och incidentladdningsvärdena, ändarna på cylindern är täckta med galler som omfattar mer än 500, 000 pads eller kanaler. Varje uppsättning av 32 kanaler kommer att instrumenteras med ett SAMPA-chip. MCH fungerar något annorlunda, men principen är densamma.

SAMPA optimerar processskanningen dubbelt så stor som ytan

"Arbetet som görs av varje chip är att läsa upp incidentavgifterna, omvandla avläsningen till en spänningssignal, konvertera signalen från analog till digital, utföra intern digital bearbetning, och skicka informationen till externa processorer, " säger Munhoz, som koordinerar det FAPESP-finansierade tematiska projektet. "Alla chips som arbetar tillsammans kommer att producera de berömda bilderna av kollisioner som visar strålar av tusentals partiklar, som var och en följer en specifik väg."

SAMPA kommer att ersätta den nuvarande generationen chips som används i ALICE. I den befintliga konfigurationen, två chips behövs för varje uppsättning av 16 kanaler:en läser bara ut laddningar och genererar motsvarande spänningssignal, medan den andra omvandlar den analoga signalen till bitar och utför digital förbearbetning av bitarna. Med mycket mer kompakt elektronik, ett SAMPA-chip kommer att utföra både operationer och bearbeta 32 kanaler istället för 16.

När chipsen har tillverkats i Taiwan, de kommer att testas en efter en i Sverige. De kommer att installeras i ALICE 2019-20, när hela LHC kommer att genomgå en uppgradering för att öka frekvensen av kollisioner mellan blykärnor med en faktor 100.

"Detta i sig gör SAMPA nödvändigt eftersom den befintliga utrustningen inte skulle kunna hantera en så enorm ökning av kollisionshastigheten, " sade Munhoz. "I dag, ALICE arbetar med 500 kollisioner per sekund. År 2021, den förväntas fungera vid 50, 000 kollisioner per sekund. Forskarna förutser att detta kommer att öka sannolikheten för sällsynta händelser som produktion av tyngre kvarkar eller bildandet av lätta element-antikärnor."

Huvudfokus för ALICE är studiet av kvarg-gluonplasma, som bildas när mycket höga nivåer av energi bryter bindningarna mellan kvarkar och gluoner så att de inte längre är begränsade i hadroner (protoner, neutroner, mesons) och rör sig fritt.

"För två decennier sedan, ingen visste om sådan plasma verkligen fanns, " sade Munhoz. "I mitten av 2000-talet, med de första experimenten utförda vid RHIC vid Brookhaven National Laboratory i USA, det vetenskapliga samfundet blev övertygat om att kvarg-gluonplasma kunde produceras i laboratoriet. Vi går nu in i en fas med större precision, där vi letar efter mer exakta mätningar för att uppnå en djupare förståelse av egenskaperna hos denna plasma. Den ökade frekvensen av kollisioner i LHC borde göra detta möjligt."

Enligt Van Noije, FAPESP:s stöd har varit grundläggande för att förverkliga projektet. Han förväntar sig att utvecklingen av SAMPA i Brasilien effektivt kommer att bidra till framtida mätningar av ALICE, gör det möjligt för det internationella forskarsamhället att få mycket mer data och en djupare förståelse av materiens grundläggande natur och, i förlängningen, av universum självt.