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Sociedad

Tercer Milenio

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El reto de alimentar un voraz detector del CERN

En busca de nuevas partículas elementales, los experimentos del CERN se amplían y renuevan, demandando desarrollos tecnológicos cada vez más exigentes. Itainnova participa en el desarrollo del sistema de alimentación de los nuevos detectores de píxeles para la segunda ampliación del experimento CMS. Ya se ha fabricado el nuevo chip sobre el que se estudiará la viabilidad de estas tecnologías.

Instalación del detector de píxeles de segunda generación en el experimento CMS del CERN
Instalación del detector de píxeles de segunda generación en el experimento CMS del CERN

Una pequeña parte del experimento CMS del CERN, "es la que mayor complejidad y retos tecnológicos alberga en su interior". Se trata del detector de píxeles, "encargado de determinar la trayectoria de las partículas que lo atraviesan". Nos lo cuenta Álvaro Pradas, miembro del grupo de Sistemas Eléctricos de Potencia de Itainnova, ‘destinado’ en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas desde marzo pasado.

El cuerpo principal del experimento CMS es un cilindro multicapa de unos 21 metros de largo por 16 metros de diámetro que pesa más de 13.000 toneladas. En el centro de este enorme cilindro, en su capa más interna y más próxima a la zona de colisión, se encuentra el detector de píxeles que, en realidad, está formado por varios miles de pequeños detectores. "Cada uno de ellos es muy similar a los sensores de las cámaras fotográficas digitales", explica. Cuando una partícula cargada pasa a través de uno de sus sensores de silicio, produce una pequeña corriente eléctrica que es registrada y procesada por la compleja electrónica asociada. "Siguiendo las señales que ha ido dejando el paso de esa partícula por ese detector, uno puede reconstruir su trayectoria", indica.

Para poder ser analizadas, las señales eléctricas generadas por los sensores de silicio son amplificadas y procesadas por unos chips que transmiten la información. El nuevo detector de píxeles "constará de muchos más píxeles, más sensores, electrónica más rápida y más compleja, y esto al final se traduce en un mayor consumo energético".

Complicaciones

Concretamente, la nueva generación de detectores de píxeles para CMS necesitará "unos 40 kilowatios de potencia, más del doble que el detector actual". Como en los detectores de píxeles "la electrónica funciona a 1,4 voltios más o menos, esto implica que para poder funcionar el sistema necesita unos 30.000 amperios, lo cual genera enormes complicaciones".

¿Cómo hacer llegar esa elevada cantidad de corriente hasta el detector? La solución ‘fácil’ sería poner una gran cantidad de cobre, pero los materiales pesados interfieren en la detección de partículas y no pueden usarse en la zona central del experimento, donde, además, no caben ya más cables. Tampoco se pueden usar transformadores, "para transportar la energía a tensión más elevada, por el elevado campo magnético existente en la parte central", añade.

"La clave para poner pocos cables (cobre) en un detector es hacer que, para un determinada potencia, la corriente sea lo más pequeña posible". Actualmente se está validando un sistema de alimentación en serie que alimenta hasta a 10 detectores. En el desarrollo, test y verificación de este sistema trabaja Pradas. Por un lado, desarrollando la electrónica de potencia incluida dentro del propio chip del detector, mediante simulaciones y pruebas en pequeños prototipos de laboratorio. Por otro, estudia la viabilidad de esta tecnología a nivel de sistema, mediante la construcción en Itainnova de un prototipo del detector a pequeña escala.

Para hacer un acelerador de partículas hay que llevar el desarrollo tecnológico al límite
Los centros tecnológicos "no hacen ciencia básica (no analizan si como resultado de las colisiones de partículas se genera o no el bosón Higgs), pero para poder hacer un detector de física o un acelerador de partículas se necesita llevar el desarrollo tecnológico al límite". Y es ahí cuando los centros tecnológicos juegan un papel relevante. Sin embargo, señala Fernando Arteche, responsable del grupo de Sistemas Eléctricos de Potencia de Itainnova, "la relación no es del tipo cliente–proveedor, sino más bien de colaboración: los físicos han de entender la tecnología y viceversa, los ingenieros tenemos que entender física".

Itainnova lleva colaborando con el CERN desde 2009. A lo largo de estos años "hemos tenido que aprender de partículas elementales, cómo se generan y, sobre todo, cómo se desintegran, para poder entender mejor cómo diseñar los sistemas de alimentación de un detector de partículas". Concreta que "aspectos como la cantidad de material presente en un detector son claves para realizar buena física y eso, para diseñar un sistema de potencia, es clave porque indica que poner cable (cobre) está muy muy limitado".

La semana pasada, Itainnova entró en la red del CERN RD53, encargada de desarrollar la nueva generación de chips para detectores de píxeles. Un paso más que estrecha la colaboración con este laboratorio europeo, tras su inclusión como instituto asociado a CMS en 2012 y la firma este mismo año de un convenio de colaboración, directamente con Itainnova, para cooperar en el desarrollo de tecnología para experimentos de física y aceleradores de partículas.

Una vez construida e instalada la tecnología, "los centros tecnológicos nos retiramos y dejamos a los físicos que hagan física". Como segunda etapa del viaje, "la transferencia tecnológica de la ciencia básica a la industria siempre es difícil", pero no imposible: "Las lecciones aprendidas en el CERN sobre propagación de ruido electromagnético han servido para dar soluciones frente a interferencias en la industria ante la instalación de equipos con grandes emisiones electromagnéticas", indica.

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