Podczas gdy detektory LHC rejestrują obecnie około 400 milionów zderzeń cząstek na sekundę, po modernizacji liczba ta ma wzrosnąć do oszałamiających 1,5 miliarda. Taki skok wymaga nie tylko potężniejszych akceleratorów, ale przede wszystkim zupełnie nowej generacji elektroniki, zdolnej przetrwać w warunkach, które niszczą konwencjonalne układy w mgnieniu oka.
Inżynierowie z Columbia University podjęli to wyzwanie, tworząc specjalizowany przetwornik analogowo-cyfrowy odporny na promieniowanie. Środowisko pracy w pobliżu wiązki cząstek należy do najbardziej intensywnych, jakie można sobie wyobrazić. Poziom promieniowania, któremu chip będzie wystawiony przez cały okres eksploatacji w zmodernizowanym LHC, odpowiada temu, jaki satelita doświadczyłby po ośmiu latach przebywania na wysokiej orbicie okołoziemskiej. Dla komercyjnej elektroniki są to warunki po prostu zabójcze.
Komercyjni producenci układów scalonych nie widzieli ekonomicznego uzasadnienia dla opracowania tak wyspecjalizowanych komponentów. Dlatego naukowcy z Columbia University we współpracy z University of Texas at Austin sami zajęli się problemem. Wykorzystali istniejące techniki projektowania obwodów, ale zastosowali je w sposób gwarantujący bezprecedensową odporność na promieniowanie.
Czytaj także: Wielki Zderzacz Hadronów odkrył coś przełomowego. Ta asymetria zmienia nasze rozumienie wszechświata
Powstały dwa typy układów pełniących odmienne funkcje. Pierwszy, nazywany przetwornikiem wyzwalającym (trigger ADC), działa jak cyfrowy strażnik, który w każdej sekundzie analizuje miliard zderzeń i wyłuskuje jedynie te najbardziej obiecujące z naukowego punktu widzenia. Drugi układ, przeznaczony do pozyskiwania danych (data acquisition ADC), odpowiada za precyzyjną digitalizację wyselekcjonowanych sygnałów. To właśnie ten komponent umożliwi fizykom badanie zjawisk takich jak bozon Higgsa z niespotykaną dotąd dokładnością.
Parametry techniczne nowych układów robią wrażenie. Osiągają 14,2-bitowy zakres dynamiczny oraz 11,4 ENOB przy całkowitym poborze mocy wynoszącym zaledwie 1,1 W. Kluczem do niezawodności jest zastosowana technika potrójnego sprawdzania, która automatycznie koryguje błędy pojawiające się pod wpływem promieniowania. Detektor ATLAS, gdzie trafią nowe układy, funkcjonuje niczym gigantyczna kamera 3D wykonująca zdjęcia z zawrotną prędkością. Do pełnego pokrycia jego kalorymetru ciekło-argonowego potrzeba aż 364 936 kanałów przetworników.
Modernizacje sprzętowe w CERN zdarzają się tylko raz na dekadę, co nakłada na zespoły inżynierskie ogromną presję. Każdy element musi działać bez zarzutu od momentu uruchomienia, bez możliwości wprowadzania późniejszych poprawek. Pierwszy z nowych chipów został już zintegrowany z detektorem ATLAS w 2022 roku, podczas gdy drugi czeka na instalację podczas planowanej na 2026 rok modernizacji. Testy wykazały, że nawet po intensywnym napromieniowaniu pogorszenie wydajności nie przekracza 0,5 ENOB, co potwierdza wyjątkową trwałość rozwiązania.
Przyszłość badań w zmodernizowanym LHC, nazywanym już High Luminosity LHC, zapowiada się niezwykle obiecująco. Dziesięciokrotny wzrost liczby zderzeń oznacza możliwość obserwowania zjawisk tak rzadkich, że dotąd pozostawały poza zasięgiem detektorów. To otwiera drogę do potencjalnych przełomów w fizyce cząstek elementarnych. Projekt angażuje ponad 5500 naukowców z 42 krajów, będąc przykładem międzynarodowej współpracy na niespotykaną skalę.
Rozwój układów odpornych na promieniowanie dla LHC to kolejny dowód, jak ekstremalne wymagania nauki stają się katalizatorami innowacji technologicznych. Rozwiązania stworzone na potrzeby fizyki wysokich energii często znajdują później zastosowanie w zupełnie innych dziedzinach, od medycyny po eksplorację kosmosu. Choć pełny sukces modernizacji poznamy dopiero za kilka lat, prace te pokazują, że nawet najbardziej ambitne cele stają się osiągalne, gdy nauka i inżynieria idą ręka w rękę.