Un chip brasiliano verrà utilizzato per aggiornare il sistema di rilevamento utilizzato in A Large Ion Collider Experiment (ALICE), uno dei quattro principali esperimenti al Large Hadron Collider (LHC), l'acceleratore di particelle più potente del mondo, situato al confine franco-svizzero. Il chip si chiama SAMPA ed è stato progettato presso la Scuola di Ingegneria dell'Università di San Paolo (Poli-USP) in Brasile.

SAMPA è stato testato in diversi paesi e analizzato da un gruppo internazionale di esperti. È passato a pieni voti e ha ricevuto il via libera per la fabbricazione su larga scala. TSMC con sede a Taiwan produrrà tutti gli 88, 000 unità necessarie per aggiornare ALICE.

"I nuovi chip saranno utilizzati per strumentare due dei rilevatori di ALICE:il TPC [Time Projection Chamber] e l'MCH [Muon Chamber], " dice Munhoz , professore associato con abilitazione presso l'Istituto di fisica dell'USP (IFUSP) e uno dei principali ricercatori dietro lo sviluppo del chip. "Il TPC tiene traccia delle particelle cariche prodotte nell'LHC. L'MCH misura specificamente i muoni".

Vale la pena ricordare qui che il muone è una particella elementare simile all'elettrone, anche con una carica elettrica di ?1e e uno spin di 1/2, ma con 200 volte la sua massa. Il muone è classificato come un leptone.

Lo sviluppo di SAMPA ha avuto il sostegno della Sao Paulo Research Foundation.

Comprendere il ruolo di SAMPA in ALICE

Munhoz ha spiegato come funziona il TPC e il ruolo di SAMPA nel dispositivo. Il TPC è il principale sistema di rilevamento di ALICE. Fondamentalmente è costituito da due cilindri concentrici, il più grande dei quali misura 5 m di lunghezza e 5 m di diametro. La regione tra i due cilindri è chiusa alle due estremità e riempita di gas. I fasci di particelle destinati a scontrarsi percorrono canali all'interno del cilindro più piccolo, dove l'ambiente è prevalentemente vuoto.

Le collisioni di ioni producono migliaia di particelle, che passano attraverso la parete del cilindro interno, ionizzare gli atomi di gas, e passare attraverso il cilindro esterno prima di essere assorbito.

Una grande differenza di potenziale elettrico viene applicata tra le estremità chiuse. Questo elimina gli elettroni dalle molecole di gas, quindi gli elettroni vengono guidati alle due estremità del cilindro. Le posizioni degli oneri sono determinate, e da questi, vengono identificati i percorsi e la natura delle particelle prodotte nelle collisioni.

Per determinare le posizioni dei colpi e i valori di carica incidente, le estremità del cilindro sono ricoperte da griglie comprendenti più di 500, 000 pad o canali. Ogni set di 32 canali sarà strumentato con un chip SAMPA. L'MCH funziona in modo leggermente diverso, ma il principio è lo stesso.

SAMPA ottimizza il processo scansionando il doppio dell'area

"Il lavoro svolto da ciascun chip è quello di leggere le accuse dell'incidente, trasformare la lettura in un segnale di tensione, convertire il segnale da analogico a digitale, eseguire elaborazioni digitali interne, e inviare le informazioni a processori esterni, "dice Munhoz, che coordina il Progetto Tematico finanziato da FAPESP. "Tutti i chip che operano insieme produrranno quelle famose immagini di collisioni che mostrano getti di migliaia di particelle, ognuno dei quali segue un percorso specifico."

SAMPA sostituirà l'attuale generazione di chip utilizzati in ALICE. Nella configurazione esistente, sono necessari due chip per ogni set di 16 canali:uno solo legge le cariche e genera il segnale di tensione corrispondente, mentre l'altro converte il segnale analogico in bit ed esegue la preelaborazione digitale dei bit. Con un'elettronica molto più compatta, un chip SAMPA eseguirà entrambe le operazioni ed elaborerà 32 canali invece di 16.

Una volta che i chip sono stati prodotti a Taiwan, saranno testati uno per uno in Svezia. Saranno installati in ALICE nel 2019-20, quando l'intero LHC subirà un aggiornamento per aumentare il tasso di collisioni tra i nuclei di piombo di un fattore 100.

"Questo di per sé rende necessario SAMPA perché l'attrezzatura esistente non sarebbe in grado di gestire un così enorme aumento del tasso di collisione, " ha detto Munhoz. "Oggi, ALICE opera a 500 collisioni al secondo. Nel 2021, dovrebbe operare a 50, 000 collisioni al secondo. Gli scienziati prevedono che ciò aumenterà la probabilità di eventi rari come la produzione di quark più pesanti o la formazione di anti-nuclei di elementi leggeri".

L'obiettivo principale di ALICE è lo studio del plasma di quark-gluoni, che si forma quando livelli di energia molto elevati rompono i legami tra quark e gluoni in modo che non siano più confinati negli adroni (protoni, neutroni, mesoni) e muoversi liberamente.

"Due decenni fa, nessuno sapeva se tale plasma esistesse davvero, "Ha detto Munhoz. "A metà degli anni 2000, con i primi esperimenti eseguiti al RHIC al Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti, la comunità scientifica si convinse che il plasma di quark e gluoni potesse essere prodotto in laboratorio. Ora stiamo entrando in una fase di maggiore precisione, in cui stiamo cercando misurazioni più accurate per ottenere una comprensione più profonda delle proprietà di questo plasma. L'aumento della frequenza delle collisioni nell'LHC dovrebbe renderlo possibile".

Secondo Van Noije, Il supporto di FAPESP è stato fondamentale per portare a compimento il progetto. Si aspetta che lo sviluppo di SAMPA in Brasile contribuisca efficacemente alle misurazioni future di ALICE, consentendo alla comunità scientifica internazionale di ottenere molti più dati e una comprensione più profonda della natura fondamentale della materia e, per estensione, dell'universo stesso.