Nový čip pre LHC odoláva radiácii a zvláda miliardy zrážok častíc

Vo vnútri Veľkého hadrónového urýchľovača (LHC) prebiehajú stovky miliónov zrážok častíc za sekundu. S plánovaným vylepšením na High Luminosity-LHC sa tento počet ešte znásobí. Vedci vyvinuli nový čip, ktorý dokáže spracovať obrovské množstvo dát a odolať silnej radiácii.

LHC, rozsiahle podzemné zariadenie na hraniciach Francúzska a Švajčiarska, od roku 2008 neustále zráža častice, čím prináša zásadné poznatky o fundamentálnych zákonoch fyziky. Približne každých desať rokov však systém potrebuje údržbu a technické vylepšenia. V rámci príprav na tieto vylepšenia tím vedcov z Kolumbijskej univerzity v New Yorku, v spolupráci s kolegami z Texaskej univerzity v Austine, vyvinul dva špecializované čipy.

Oba čipy sú určené pre detektor ATLAS v LHC, ktorý skúma širokú škálu fyzikálnych javov, od Higgsovho bozónu až po extra dimenzie a častice tvoriace temnú hmotu. Tento masívny detektor, dlhý 46 metrov a vysoký 25 metrov, je vybavený desiatkami tisíc špecializovaných čipov, ktoré zaznamenávajú zrážky častíc.

Prvý čip, „trigger“ analógovo-digitálny prevodník (ADC), pomáha preosievať obrovské množstvá dát, približne 60 petabajtov surových dát, ktoré vznikajú pri zrážkach častíc. Funguje ako rýchly triedič, ktorý vyberá udalosti zaujímavé pre ďalšiu analýzu a odstraňuje tie, ktoré nie sú relevantné. Tento čip bol do detektora ATLAS integrovaný počas poslednej odstávky, ktorá skončila v roku 2022.

Komentár redakcie: Vývoj odolného čipu pre LHC je výsledkom rozsiahlej spolupráce medzi odborníkmi z rôznych inštitúcií a krajín. Tento úspech podčiarkuje dôležitosť medzinárodnej spolupráce pri riešení komplexných vedeckých výziev.

Najnovšie vedci dokončili návrh a testovanie druhého, vysokorozlišovacieho ADC, ktorý číta signály z detektora a prevádza ich na digitálne dáta na analýzu. Kľúčovou výzvou bolo zabezpečiť, aby čip odolal extrémnej radiácii, ktorá vzniká pri zrážkach častíc.

Intenzita radiácie, ktorej je čip vystavený, sa dá prirovnať k ožiareniu, ktorému by bol satelit vystavený po ôsmich rokoch na vysokej orbite okolo Zeme. Táto radiácia môže narušiť schopnosť čipu presne zaznamenávať dáta. Preto vedci vyvinuli ADC s trojitou kontrolou, ktorá zaisťuje správny prevod a uloženie digitálnych dát. Pravdepodobnosť, že by boli dáta trikrát poškodené radiáciou, je veľmi nízka.

Po návrhu čip vedci ožarovali pomocou lekárskeho vybavenia v nemocnici v Bostone, aby vyhodnotili jeho výkonnosť v podmienkach intenzívnej radiácie. Výsledky naznačujú, že čip je pripravený na použitie a jeho integrácia a inštalácia sa plánuje v rámci ďalšej modernizácie LHC, ktorá by mala začať v roku 2026.

Úspešnosť čipu je kritická. Hardware sa vylepšuje len raz za desať rokov, preto je na inžinierov a vedcov vyvíjaný veľký tlak, aby ich technológia fungovala bezchybne. Ak však bude čip fungovať dobre, umožní detekovať viac ako miliardu zrážok za sekundu.