Um chip brasileiro será usado para atualizar o sistema de detecção usado no A Large Ion Collider Experiment (ALICE), um dos quatro principais experimentos do Large Hadron Collider (LHC), o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, localizado na fronteira franco-suíça. O chip se chama SAMPA e foi desenvolvido na Escola de Engenharia da Universidade de São Paulo (Poli-USP) no Brasil.

O SAMPA foi testado em vários países e analisado por um grupo internacional de especialistas. Passou com louvor e recebeu luz verde para fabricação em larga escala. A TSMC, com sede em Taiwan, produzirá todos os 88, 000 unidades necessárias para atualizar o ALICE.

“Os novos chips serão usados ​​para instrumentar dois detectores do ALICE:o TPC [Câmara de Projeção do Tempo] e o MCH [Câmara de Muons], "diz Munhoz, professor associado com habilitação do Instituto de Física da USP (IFUSP) e um dos principais pesquisadores no desenvolvimento do chip. "O TPC rastreia as partículas carregadas produzidas no LHC. O MCH mede especificamente os múons."

Vale lembrar aqui que o múon é uma partícula elementar semelhante ao elétron, também com uma carga elétrica de? 1e e um spin de 1/2, mas com 200 vezes sua massa. O múon é classificado como leptão.

O desenvolvimento da SAMPA contou com o apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.

Compreendendo o papel do SAMPA em ALICE

Munhoz explicou como funciona o TPC e a função do SAMPA no dispositivo. O TPC é o principal sistema de detecção do ALICE. Consiste basicamente em dois cilindros concêntricos, o maior dos quais tem 5 m de comprimento e 5 m de diâmetro. A região entre os dois cilindros é fechada em ambas as extremidades e preenchida com gás. Os feixes de partículas destinados a colidir viajam ao longo dos canais dentro do cilindro menor, onde o ambiente é predominantemente vácuo.

As colisões de íons produzem milhares de partículas, que passam pela parede do cilindro interno, ionizar os átomos de gás, e passar pelo cilindro externo antes de ser absorvido.

Uma grande diferença de potencial elétrico é aplicada entre as extremidades fechadas. Isso tira os elétrons das moléculas de gás, então, os elétrons são conduzidos para uma das extremidades do cilindro. As posições das cargas são determinadas, e destes, os caminhos e a natureza das partículas produzidas nas colisões são identificados.

Para determinar as posições dos acertos e os valores de cobrança do incidente, as extremidades do cilindro são cobertas por grades compreendendo mais de 500, 000 pads ou canais. Cada conjunto de 32 canais será instrumentado com um chip SAMPA. O MCH funciona de maneira um pouco diferente, Mas o princípio é o mesmo.

SAMPA otimiza o processo de digitalização duas vezes a área

"O trabalho de cada chip é ler as acusações do incidente, transformar a leitura em um sinal de tensão, converter o sinal de analógico para digital, realizar processamento digital interno, e enviar as informações para processadores externos, "diz Munhoz, que coordena o Projeto Temático financiado pela FAPESP. "Todos os chips operando juntos produzirão aquelas famosas imagens de colisões mostrando jatos de milhares de partículas, cada um segue um caminho específico. "

O SAMPA substituirá a atual geração de chips usados ​​no ALICE. Na configuração existente, dois chips são necessários para cada conjunto de 16 canais:um apenas lê as cargas e gera o sinal de tensão correspondente, enquanto o outro converte o sinal analógico em bits e realiza o pré-processamento digital dos bits. Com eletrônicos muito mais compactos, um chip SAMPA executará ambas as operações e processará 32 canais em vez de 16.

Assim que os chips forem produzidos em Taiwan, eles serão testados um por um na Suécia. Eles serão instalados no ALICE em 2019-20, quando todo o LHC passará por uma atualização para aumentar a taxa de colisões entre os núcleos principais por um fator de 100.

"Isso por si só torna o SAMPA necessário porque o equipamento existente não seria capaz de lidar com um aumento tão grande na taxa de colisão, "Disse Munhoz." Hoje, ALICE está operando a 500 colisões por segundo. Em 2021, espera-se que opere a 50, 000 colisões por segundo. Os cientistas prevêem que isso aumentará a probabilidade de eventos raros, como a produção de quarks mais pesados ​​ou a formação de antinúcleos do elemento luz. "

O foco principal do ALICE é o estudo do plasma quark-gluon, que é formado quando níveis muito elevados de energia quebram as ligações entre quarks e glúons, de modo que eles não ficam mais confinados em hádrons (prótons, nêutrons, mésons) e se movem livremente.

"Duas décadas atrás, ninguém sabia se tal plasma realmente existia, "Disse Munhoz." Em meados dos anos 2000, com os primeiros experimentos realizados no RHIC no Laboratório Nacional de Brookhaven nos EUA, a comunidade científica se convenceu de que o plasma quark-gluon poderia ser produzido em laboratório. Agora estamos entrando em uma fase de maior precisão, no qual buscamos medições mais precisas para alcançar um entendimento mais profundo das propriedades deste plasma. O aumento da frequência de colisões no LHC deve tornar isso possível. "

De acordo com Van Noije, O apoio da FAPESP foi fundamental para a concretização do projeto. Ele espera que o desenvolvimento da SAMPA no Brasil contribua efetivamente para medições futuras do ALICE, permitindo que a comunidade científica internacional obtenha muito mais dados e uma compreensão mais profunda da natureza fundamental da matéria e, por extensão, do próprio universo.