Эти столкновения генерируют огромное количество данных - и достаточно излучения, чтобы скремблировать биты и логику практически в любой части электронного оборудования.

Это бросает вызов физикам ЦЕРНА, поскольку они пытаются глубже проникнуть в тайны бозона Хиггса и других фундаментальных частиц. Готовые компоненты просто не выдержат суровых условий внутри ускорителя, а рынок радиационно-стойких схем слишком мал, чтобы привлечь инвестиции со стороны коммерческих производителей микросхем.

"Промышленность просто не смогла оправдать затраченные усилия, поэтому академическим кругам пришлось вмешаться", - говорит Питер Кингет, профессор электротехники Бернарда Дж. Лехнера в Columbia Engineering. "Следующие открытия, сделанные с помощью БАК, будут инициированы одним чипом Columbia и измерены другим".

Кингет возглавляет команду, разработавшую 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 открытом журнале IEEE Общества твердотельных схем.

"Такого рода сотрудничество между физиками и инженерами очень важно для развития нашей способности исследовать фундаментальные вопросы о Вселенной", - говорит Джон Парсонс, профессор физики Колумбийского университета и руководитель колумбийской команды, работающей над детектором ATLAS, одним из массивных инструментов БАК. "Разработка самых современных приборов имеет решающее значение для нашего успеха".

Схемы, устойчивые к излучению

Устройства, разработанные командой, называются аналого-цифровыми преобразователями, или АЦП. Их задача - улавливать электрические сигналы, возникающие в результате столкновений частиц внутри детекторов ЦЕРНА, и преобразовывать их в цифровые данные, которые исследователи могут анализировать.

В детекторе ATLAS электрические импульсы, генерируемые столкновениями частиц, измеряются с помощью устройства, называемого калориметром на жидком аргоне. Этот огромный резервуар со сверххолодным аргоном фиксирует электронный след каждой проходящей через него частицы. АЦП-чипы Columbia преобразуют эти деликатные аналоговые сигналы в точные цифровые измерения, фиксируя детали, которые ни один существующий компонент не смог бы надежно зафиксировать.

"Мы протестировали стандартные коммерческие компоненты, и они просто умерли. Излучение было слишком интенсивным", - говорит Руи (Рэй) Сюй, аспирант инженерного факультета Колумбийского университета, который работал над проектом с тех пор, как был студентом Техасского университета. "Мы поняли, что если мы хотим, чтобы что-то работало, нам придется разработать это самим".

Проектирование "высокоточной" надежности

Вместо создания совершенно новых методов производства команда использовала коммерческие полупроводниковые процессы, проверенные ЦЕРНОМ на радиационную стойкость, и применила инновационные технологии на уровне схем. Они тщательно выбирали компоненты и их размеры, а также компоновали схемы таким образом, чтобы свести к минимуму радиационное повреждение, и создали цифровые системы, которые автоматически обнаруживают и исправляют ошибки в режиме реального времени. Получившаяся в результате конструкция достаточно устойчива, чтобы выдерживать необычно суровые условия на БАКЕ более десяти лет.

Ожидается, что два АЦП-чипа, разработанные Columbia, будут интегрированы в модернизированную электронику эксперимента ATLAS. Первый, называемый триггерным АЦП, уже работает в ЦЕРНЕ. Этот чип, первоначально описанный в 2017 году и утвержденный в 2022 году, позволяет триггерной системе 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 прошел заключительные испытания и в настоящее время находится в стадии серийного производства. Чип, который был описан в документе IEEE ранее в этом году, будет установлен в рамках следующего обновления LHC. Он очень точно оцифрует выбранные сигналы, что позволит физикам исследовать такие явления, как бозон Хиггса, открытие которого в ЦЕРНЕ попало в заголовки газет в 2012 году и привело к присуждению Нобелевской премии по физике в 2013 году, но точные свойства которого до сих пор остаются загадкой.

Оба чипа представляют собой своего рода прямое сотрудничество между физиками-фундаменталистами и инженерами.

"Возможность в качестве инженера 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 из Колумбийского университета и Техасского университета в Остине в тесном сотрудничестве с физиками из Колумбийских лабораторий в Невисе и Техасского университета в Остине.

Чипы Columbia, финансируемые Национальным научным фондом и Министерством энергетики, играют центральную роль в более широком международном сотрудничестве, частично координируемом Колумбийскими лабораториями на Невисе. По мере продвижения исследований в ЦЕРНЕ компоненты, разработанные Columbia, будут способствовать созданию систем сбора данных, которые помогут физикам анализировать явления, выходящие за рамки существующих знаний.