Todas las cámaras digitales tienen un sensor CMOS que recibe la imagen que queremos fotografiar y después la convierte en una señal eléctrica que se almacena en la memoria. Pues en el corazón de algunos experimentos de física como el CMS del acelerador de partículas LHC del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (Cern), hay sensores de píxeles muy similares a los de nuestras cámaras de fotos. Eso sí, con otro cometido y mucho mayor desgaste.

El Instituto Tecnológico de Aragón (Itainnova) está desarrollando nuevas tecnologías para la próxima actualización de detectores de píxeles del experimento CMS (Compact Muon Solenoid), uno de los cuatro detectores de partículas del LHC.

Fernando Arteche, coordinador de Tecnología del grupo Sistemas Eléctricos de Potencia, explica que, «simplificándolo mucho y para que se entienda, un detector es una cámara de fotos 3D que permite tomar una instantánea del resultado de las colisiones de dos partículas que circulan por el acelerador». Así se miden las trayectorias de cada tipo de partícula. Ubicado en la zona central del experimento y bajo el bombardeo de gran cantidad de partículas secundarias, este detector de píxeles sufre un envejecimiento acelerado.

Arteche lidera en Itainnova el proyecto CMS Run 2 y Upgrade de Alta Luminosidad, ligado a la actualización del acelerador LHC que se llevará a cabo a partir de 2022. «Al aumentar la luminosidad del haz de partículas, aumentarán la energía y el número de colisiones, por lo que aún se acelerará más el proceso de envejecimiento del detector», señala. Para no tener que cambiar de detector cada pocos meses, el Instituto de Microelectrónica de Barcelona está desarrollando sensores de silicio ultrarresistentes a la radiación, que son caracterizados por el Instituto de Física de Cantabria. Pero este cambio va a acompañado de nuevos retos.

Aunque trabajan tan solo a unos 16 kW de potencia, «la nueva generación de detectores de píxeles para CMS necesitará tanta cantidad de corriente como la que hay a la salida de un alternador de una central eléctrica: unos 15.000 amperios, lo cual es muy muy complicado», advierte Arteche. Tanto que es necesario «diseñar y construir sistemas de distribución de potencia novedosos que permitan suministrar energía eléctrica a sistemas con un elevado consumo de corriente a muy baja tensión», pero no solo eso, también con la menor cantidad de cableado y sin interferencias electromagnéticas entre la electrónica de detección del sensor de píxeles y los componentes del sistema de potencia.

Con este objetivo, «a lo largo de este año construiremos en Itainnova un detector de píxeles a pequeña escala basado en una de las topologías de distribución de potencia que hemos estudiado», dice Arteche. El proyecto CMS Run comenzó en 2015 y finaliza el año próximo; está dotado con 1,3 millones de euros.

¿Cuáles son los retos tecnológicos? «La solución fácil sería poner una gran cantidad de cobre para que no hubiera pérdidas al mandar esa corriente tan elevada al detector», indica. Sin embargo, en la zona central del experimento no se pueden usar materiales pesados, «que interferirían en la detección de las partículas resultado de las colisiones». Y tampoco hay espacio material debido a la alta concentración de cables –más de 3.000 kilómetros de cable instalado en el CMS–. «Otra solución sería usar transformadores, pero tampoco es viable por el elevado campo magnético –3,8 teslas, unas 100.000 veces más potente que el terrestre– que hay en la parte central». Por lo tanto, «hay que investigar y usar técnicas de distribución de potencia novedosas. A día de hoy, no existe una solución técnica al problema y es una de las cosas que trataremos de resolver».

Además, los sensores y dispositivos electrónicos del CMS, confinados en un área pequeña, son muy sensibles a las interferencias electromagnéticas. mantenerlas a raya es un elemento clave en la fase de diseño de los aceleradores de partículas. Por eso, una vez construido el prototipo del detector de píxeles, durante 2017 se medirán los niveles de emisión electromagnética y de inmunidad.