Une puce brésilienne sera utilisée pour mettre à niveau le système de détection utilisé dans A Large Ion Collider Experiment (ALICE), l'une des quatre expériences majeures du Grand collisionneur de hadrons (LHC), l'accélérateur de particules le plus puissant au monde, situé à la frontière franco-suisse. La puce s'appelle SAMPA et a été conçue à l'école d'ingénieurs de l'Université de São Paulo (Poli-USP) au Brésil.

SAMPA a été testé dans plusieurs pays et analysé par un groupe international d'experts. Il est passé avec brio et a reçu le feu vert pour une fabrication à grande échelle. TSMC, basée à Taiwan, produira les 88, 000 unités nécessaires pour mettre à niveau ALICE.

"Les nouvelles puces seront utilisées pour instrumenter deux des détecteurs d'ALICE :le TPC [Time Projection Chamber] et le MCH [Muon Chamber], " dit Munhoz , professeur agrégé avec habilitation à l'Institut de physique de l'USP (IFUSP) et l'un des principaux chercheurs à l'origine du développement de la puce. "Le TPC suit les particules chargées produites dans le LHC. Le MCH mesure spécifiquement les muons."

Il convient de rappeler ici que le muon est une particule élémentaire semblable à l'électron, également avec une charge électrique de ?1e et un spin de 1/2, mais avec 200 fois sa masse. Le muon est classé comme un lepton.

Le développement de SAMPA a bénéficié du soutien de la Fondation de recherche de Sao Paulo.

Comprendre le rôle de SAMPA dans ALICE

Munhoz a expliqué le fonctionnement du TPC et le rôle de SAMPA dans le dispositif. Le TPC est le principal système de détection d'ALICE. Il se compose essentiellement de deux cylindres concentriques, dont la plus grande mesure 5 m de long et 5 m de diamètre. La région entre les deux cylindres est fermée aux deux extrémités et remplie de gaz. Les faisceaux de particules destinés à entrer en collision se déplacent le long de canaux à l'intérieur du plus petit cylindre, où l'environnement est majoritairement sous vide.

Les collisions d'ions produisent des milliers de particules, qui traversent la paroi du cylindre intérieur, ioniser les atomes de gaz, et passer à travers le cylindre extérieur avant d'être absorbé.

Une grande différence de potentiel électrique est appliquée entre les extrémités fermées. Cela fait tomber des électrons des molécules de gaz, puis les électrons sont conduits à chaque extrémité du cylindre. Les positions des charges sont déterminées, et à partir de ceux-ci, les chemins et la nature des particules produites dans les collisions sont identifiés.

Pour déterminer les positions des hits et les valeurs des charges incidentes, les extrémités du cylindre sont recouvertes de grilles comportant plus de 500, 000 pads ou canaux. Chaque ensemble de 32 canaux sera instrumenté avec une puce SAMPA. L'HME fonctionne un peu différemment, mais le principe est le même.

SAMPA optimise le processus en numérisant deux fois la surface

"Le travail de chaque puce est de lire les charges d'incident, transformer la lecture en un signal de tension, convertir le signal d'analogique en numérique, effectuer des traitements numériques internes, et envoyer les informations à des sous-traitants externes, " dit Munhoz, qui coordonne le projet thématique financé par la FAPESP. "Toutes les puces fonctionnant ensemble produiront ces fameuses images de collisions montrant des jets de milliers de particules, dont chacun suit un chemin spécifique.

SAMPA remplacera la génération actuelle de puces utilisées dans ALICE. Dans la configuration existante, deux puces sont nécessaires pour chaque ensemble de 16 canaux :une seule lit les charges et génère le signal de tension correspondant, tandis que l'autre convertit le signal analogique en bits et effectue un prétraitement numérique des bits. Avec une électronique beaucoup plus compacte, une puce SAMPA effectuera les deux opérations et traitera 32 canaux au lieu de 16.

Une fois les puces produites à Taïwan, ils seront testés un par un en Suède. Ils seront installés à ALICE en 2019-20, lorsque l'ensemble du LHC subira une mise à niveau pour augmenter le taux de collisions entre les noyaux de plomb d'un facteur 100.

"Cela rend SAMPA nécessaire car l'équipement existant ne serait pas en mesure de gérer une augmentation aussi importante du taux de collision, " dit Munhoz. " Aujourd'hui, ALICE fonctionne à 500 collisions par seconde. En 2021, il devrait fonctionner à 50, 000 collisions par seconde. Les scientifiques prévoient que cela augmentera la probabilité d'événements rares tels que la production de quarks plus lourds ou la formation d'anti-noyaux d'éléments légers."

L'objectif principal d'ALICE est l'étude du plasma quark-gluon, qui se forme lorsque des niveaux d'énergie très élevés rompent les liaisons entre quarks et gluons de sorte qu'ils ne sont plus confinés dans des hadrons (protons, neutrons, mésons) et se déplacer librement.

« Il y a deux décennies, personne ne savait si un tel plasma existait vraiment, " a déclaré Munhoz. "Au milieu des années 2000, avec les premières expériences réalisées au RHIC au Brookhaven National Laboratory aux États-Unis, la communauté scientifique est devenue convaincue que le plasma quark-gluon pouvait être produit en laboratoire. Nous entrons maintenant dans une phase de plus grande précision, dans lequel nous recherchons des mesures plus précises afin d'obtenir une meilleure compréhension des propriétés de ce plasma. La fréquence accrue des collisions dans le LHC devrait rendre cela possible."

Selon Van Noije, Le soutien de la FAPESP a été fondamental dans la concrétisation du projet. Il espère que le développement de SAMPA au Brésil contribuera efficacement aux futures mesures d'ALICE, permettant à la communauté scientifique internationale d'obtenir beaucoup plus de données et une meilleure compréhension de la nature fondamentale de la matière et, par extension, de l'univers lui-même.