Большой адронный коллайдер (БАК) — это серьёзное испытание для электроники. Расположенный в 17-мильном туннеле под границей между Швейцарией и Францией, этот гигантский научный инструмент разгоняет частицы почти до скорости света, а затем сталкивает их. Столкновения порождают крошечные водовороты частиц и энергии, которые намекают на ответы на фундаментальные вопросы о строительных блоках материи.
Столкновения создают огромное количество данных — и столько радиации, что она может нарушить работу битов и логики практически в любом электронном устройстве. Это ставит перед физиками ЦЕРН задачу — исследовать глубже тайны бозона Хиггса и других фундаментальных частиц.
Стандартные компоненты не выдерживают суровых условий внутри ускорителя, а рынок радиационно-устойчивых схем слишком мал, чтобы заинтересовать коммерческие производители чипов.
«Промышленность просто не могла оправдать затраченные усилия, поэтому пришлось вмешаться академическим кругам», — говорит Питер Кингет, профессор электротехники имени Бернарда Дж. Лехнера в Колумбийском университете. «Следующие открытия, сделанные с помощью БАК, будут инициированы одним чипом Columbia и измерены другим».
Команда Кингета разработала специализированные кремниевые чипы, которые собирают данные в одной из самых суровых и важных сред в физике элементарных частиц. Их последняя статья, описывающая этот проект, была опубликована 1 июля в IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society.
«Подобного рода сотрудничество между физиками и инженерами очень важно для развития нашей способности исследовать фундаментальные вопросы о Вселенной», — говорит Джон Парсонс, профессор физики в Колумбийском университете и руководитель группы Колумбийского университета, работающей над детектором ATLAS, одним из массивных инструментов БАК. «Разработка современного оборудования имеет решающее значение для нашего успеха».
Устройства, разработанные командой, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Их задача — фиксировать электрические сигналы, создаваемые при столкновениях частиц внутри детекторов ЦЕРН, и переводить их в цифровые данные, которые исследователи могут анализировать.
В детекторе ATLAS электрические импульсы, генерируемые при столкновениях частиц, измеряются с помощью устройства, называемого калориметром с жидким аргоном. Этот огромный бак со сверххолодным аргоном фиксирует электронный след каждой частицы, которая проходит через него. Чипы АЦП Columbia преобразуют эти деликатные аналоговые сигналы в точные цифровые измерения, фиксируя детали, которые ни один существующий компонент не может надёжно записать.
«Мы тестировали стандартные коммерческие компоненты, и они просто вышли из строя. Радиация была слишком интенсивной», — говорит Руй (Рэй) Сюй, аспирант Колумбийского инженерного факультета, работавший над проектом ещё будучи студентом в Техасском университете. «Мы поняли, что если мы хотим что-то, что будет работать, нам придётся разработать это самим».
Вместо создания совершенно новых производственных методов команда использовала коммерческие полупроводниковые процессы, проверенные ЦЕРН на радиационную стойкость, и применила инновационные методы на уровне схем. Они тщательно выбирали и подбирали компоненты, а также разработали архитектуру и компоновку схем для минимизации радиационного повреждения и создали цифровые системы, которые автоматически обнаруживают и исправляют ошибки в режиме реального времени.
Два АЦП-чипа, разработанные в Колумбии, будут интегрированы в модернизированную электронику эксперимента ATLAS. Первый, называемый триггерным АЦП, уже работает в ЦЕРН. Этот чип, первоначально описанный в 2017 году и проверенный в 2022 году, позволяет системе запуска фильтровать около миллиарда столкновений каждую секунду и мгновенно выбирать только наиболее перспективные с научной точки зрения события для записи. Он служит цифровым привратником, решающим, что заслуживает более глубокого изучения.
Второй чип, АЦП сбора данных, недавно прошёл окончательные испытания и сейчас находится в полном производстве. Чип, описанный в статье IEEE ранее в этом году, будет установлен в рамках следующей модернизации БАК. Он будет очень точно оцифровывать выбранные сигналы, позволяя физикам исследовать такие явления, как бозон Хиггса, открытие которого в ЦЕРН стало заголовком в 2012 году и привело к Нобелевской премии по физике в 2013 году, но точные свойства которого всё ещё остаются загадкой.
Оба чипа представляют собой прямое сотрудничество между фундаментальными физиками и инженерами.
«Возможность как инженеру внести столь непосредственный вклад в фундаментальную науку — вот что делает этот проект особенным», — сказал Сюй.
Это также создало возможности для сотрудничества между несколькими учреждениями. Чипы были разработаны инженерами-электриками в Колумбийском университете и в Техасском университете в Остине в тесном сотрудничестве с физиками в Колумбийских лабораториях Невис и в Техасском университете в Остине.
Чипы Columbia играют центральную роль в более широком международном сотрудничестве, координируемом частично Колумбийскими лабораториями Невис. По мере продвижения исследований в ЦЕРН компоненты, разработанные в Колумбии, будут способствовать развитию систем сбора данных, которые помогут физикам анализировать явления, выходящие за рамки текущих границ знаний.