Cela repr\u00e9sente un d\u00e9fi pour les physiciens du CERN qui tentent de percer les myst\u00e8res du boson de Higgs et d’autres particules fondamentales. Les semi-conducteurs et les composants disponibles sur le march\u00e9 ne peuvent pas r\u00e9sister aux conditions difficiles qui r\u00e8gnent \u00e0 l’int\u00e9rieur de l’acc\u00e9l\u00e9rateur, et le march\u00e9 des circuits r\u00e9sistants aux rayonnements est trop petit pour que les fabricants de puces commerciales puissent le soutenir.<\/p>\n
\u00ab\u00a0L’industrie ne pouvait tout simplement pas justifier l’effort, et le monde universitaire a d\u00fb intervenir\u00a0\u00bb, explique Peter Kinget, professeur Bernard J. Lechner d’ing\u00e9nierie \u00e9lectrique \u00e0 Columbia Engineering. \u00ab\u00a0Les prochaines d\u00e9couvertes faites avec le LHC seront d\u00e9clench\u00e9es par une puce de Columbia et mesur\u00e9es par une autre.<\/p>\n
M. Kinget dirige l’\u00e9quipe qui a con\u00e7u des puces de silicium sp\u00e9cialis\u00e9es qui recueillent des donn\u00e9es dans l’un des environnements les plus difficiles de la physique des particules.<\/p>\n
\u00ab\u00a0Ce type de collaboration entre physiciens et ing\u00e9nieurs est essentiel pour am\u00e9liorer notre capacit\u00e9 \u00e0 explorer les questions fondamentales sur l’univers\u00a0\u00bb, explique John Parsons, professeur de physique \u00e0 l’universit\u00e9 Columbia et chef de l’\u00e9quipe de Columbia qui travaille sur le d\u00e9tecteur ATLAS, l’un des instruments massifs du LHC. \u00ab\u00a0La mise au point d’une instrumentation de pointe est essentielle \u00e0 notre r\u00e9ussite.<\/p>\n
L’\u00e9quipe a con\u00e7u des convertisseurs analogiques-num\u00e9riques (CAN) pour capter les signaux \u00e9lectriques produits par les collisions de particules \u00e0 l’int\u00e9rieur des d\u00e9tecteurs du CERN et les traduire en donn\u00e9es num\u00e9riques que les chercheurs peuvent analyser.<\/p>\n
Les impulsions \u00e9lectriques g\u00e9n\u00e9r\u00e9es par les collisions de particules dans le d\u00e9tecteur ATLAS sont mesur\u00e9es \u00e0 l’aide d’un dispositif appel\u00e9 calorim\u00e8tre \u00e0 argon liquide. Cette grande cuve d’argon ultra-froid capture une trace \u00e9lectronique de chaque particule qui la traverse. Les puces ADC de Columbia convertissent ces d\u00e9licats signaux analogiques en mesures num\u00e9riques pr\u00e9cises, capturant des d\u00e9tails qu’aucun composant existant ne pourrait enregistrer de mani\u00e8re fiable.<\/p>\n
\u00ab\u00a0Nous avons test\u00e9 des composants commerciaux standard, mais ils sont morts. Les radiations \u00e9taient trop intenses\u00a0\u00bb, explique Rui (Ray) Xu, doctorant en ing\u00e9nierie \u00e0 Columbia, qui travaille sur le projet depuis qu’il est \u00e9tudiant \u00e0 l’universit\u00e9 du Texas. \u00ab\u00a0Nous nous sommes rendu compte que si nous voulions quelque chose qui fonctionne, nous devions le concevoir nous-m\u00eames.<\/p>\n
L’\u00e9quipe a utilis\u00e9 des proc\u00e9d\u00e9s commerciaux de fabrication de semi-conducteurs valid\u00e9s par le CERN pour leur r\u00e9sistance aux rayonnements et a appliqu\u00e9 des techniques innovantes au niveau des circuits. Ils ont soigneusement choisi et dimensionn\u00e9 les composants, et organis\u00e9 les architectures et les dispositions des circuits de mani\u00e8re \u00e0 minimiser les dommages caus\u00e9s par les rayonnements. Ils ont \u00e9galement construit des syst\u00e8mes num\u00e9riques qui d\u00e9tectent et corrigent automatiquement les erreurs en temps r\u00e9el. La conception qui en r\u00e9sulte est suffisamment r\u00e9sistante pour supporter les conditions exceptionnellement s\u00e9v\u00e8res du LHC pendant plus d’une d\u00e9cennie.<\/p>\n
Deux semi-conducteurs con\u00e7us par Columbia devraient \u00eatre int\u00e9gr\u00e9s dans l’\u00e9lectronique am\u00e9lior\u00e9e de l’exp\u00e9rience ATLAS. Le premier, appel\u00e9 ADC de d\u00e9clenchement, fonctionne d\u00e9j\u00e0 au CERN. Cette puce, d\u00e9crite initialement en 2017 et valid\u00e9e en 2022, permet au syst\u00e8me de d\u00e9clenchement de filtrer environ un milliard de collisions par seconde et de s\u00e9lectionner instantan\u00e9ment les \u00e9v\u00e9nements les plus prometteurs sur le plan scientifique \u00e0 enregistrer. Elle joue le r\u00f4le d’un gardien num\u00e9rique qui d\u00e9cide ce qui m\u00e9rite d’\u00eatre approfondi.<\/p>\n
Le second semi-conducteur, l’ADC d’acquisition de donn\u00e9es, a r\u00e9cemment pass\u00e9 les derniers tests et est maintenant en pleine production. Cette puce, d\u00e9crite dans un article de l’IEEE au d\u00e9but de l’ann\u00e9e, sera install\u00e9e dans le cadre de la prochaine mise \u00e0 niveau du LHC. Elle num\u00e9risera tr\u00e8s pr\u00e9cis\u00e9ment les signaux s\u00e9lectionn\u00e9s, ce qui permettra aux physiciens d’explorer des ph\u00e9nom\u00e8nes tels que le boson de Higgs, dont la d\u00e9couverte au CERN a fait la une des journaux en 2012 et a conduit au prix Nobel de physique en 2013, mais dont les propri\u00e9t\u00e9s exactes restent encore myst\u00e9rieuses.<\/p>\n
Ces deux semi-conducteurs sont le r\u00e9sultat d’une collaboration directe entre physiciens fondamentaux et ing\u00e9nieurs.<\/p>\n
Il a \u00e9galement cr\u00e9\u00e9 des opportunit\u00e9s de collaboration entre plusieurs institutions. Les puces ont \u00e9t\u00e9 con\u00e7ues par des ing\u00e9nieurs \u00e9lectriciens de Columbia et de l’universit\u00e9 du Texas \u00e0 Austin, en \u00e9troite collaboration avec des physiciens des laboratoires Nevis de Columbia et de l’universit\u00e9 du Texas \u00e0 Austin.<\/p>\n