Semi-conducteurs sur mesure pour le LHC du CERN
Cette publication existe aussi en Français
Situé à l’intérieur d’un tunnel de 17 miles de long qui s’étend en cercle sous la frontière entre la Suisse et la France, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) accélère les particules à une vitesse proche de celle de la lumière avant de les faire se heurter. Les collisions qui en résultent produisent une énorme quantité de données et suffisamment de radiations pour brouiller les bits et la logique à l’intérieur des semi-conducteurs ou de presque n’importe quel équipement électronique.
Cela représente un défi pour les physiciens du CERN qui tentent de percer les mystères du boson de Higgs et d’autres particules fondamentales. Les semi-conducteurs et les composants disponibles sur le marché ne peuvent pas résister aux conditions difficiles qui règnent à l’intérieur de l’accélérateur, et le marché des circuits résistants aux rayonnements est trop petit pour que les fabricants de puces commerciales puissent le soutenir.
« L’industrie ne pouvait tout simplement pas justifier l’effort, et le monde universitaire a dû intervenir », explique Peter Kinget, professeur Bernard J. Lechner d’ingénierie électrique à Columbia Engineering. « Les prochaines découvertes faites avec le LHC seront déclenchées par une puce de Columbia et mesurées par une autre.
M. Kinget dirige l’équipe qui a conçu des puces de silicium spécialisées qui recueillent des données dans l’un des environnements les plus difficiles de la physique des particules.
« Ce type de collaboration entre physiciens et ingénieurs est essentiel pour améliorer notre capacité à explorer les questions fondamentales sur l’univers », explique John Parsons, professeur de physique à l’université Columbia et chef de l’équipe de Columbia qui travaille sur le détecteur ATLAS, l’un des instruments massifs du LHC. « La mise au point d’une instrumentation de pointe est essentielle à notre réussite.
L’équipe a conçu des convertisseurs analogiques-numériques (CAN) pour capter les signaux électriques produits par les collisions de particules à l’intérieur des détecteurs du CERN et les traduire en données numériques que les chercheurs peuvent analyser.
Les impulsions électriques générées par les collisions de particules dans le détecteur ATLAS sont mesurées à l’aide d’un dispositif appelé calorimètre à argon liquide. Cette grande cuve d’argon ultra-froid capture une trace électronique de chaque particule qui la traverse. Les puces ADC de Columbia convertissent ces délicats signaux analogiques en mesures numériques précises, capturant des détails qu’aucun composant existant ne pourrait enregistrer de manière fiable.
« Nous avons testé des composants commerciaux standard, mais ils sont morts. Les radiations étaient trop intenses », explique Rui (Ray) Xu, doctorant en ingénierie à Columbia, qui travaille sur le projet depuis qu’il est étudiant à l’université du Texas. « Nous nous sommes rendu compte que si nous voulions quelque chose qui fonctionne, nous devions le concevoir nous-mêmes.
L’équipe a utilisé des procédés commerciaux de fabrication de semi-conducteurs validés par le CERN pour leur résistance aux rayonnements et a appliqué des techniques innovantes au niveau des circuits. Ils ont soigneusement choisi et dimensionné les composants, et organisé les architectures et les dispositions des circuits de manière à minimiser les dommages causés par les rayonnements. Ils ont également construit des systèmes numériques qui détectent et corrigent automatiquement les erreurs en temps réel. La conception qui en résulte est suffisamment résistante pour supporter les conditions exceptionnellement sévères du LHC pendant plus d’une décennie.
Deux semi-conducteurs conçus par Columbia devraient être intégrés dans l’électronique améliorée de l’expérience ATLAS. Le premier, appelé ADC de déclenchement, fonctionne déjà au CERN. Cette puce, décrite initialement en 2017 et validée en 2022, permet au système de déclenchement de filtrer environ un milliard de collisions par seconde et de sélectionner instantanément les événements les plus prometteurs sur le plan scientifique à enregistrer. Elle joue le rôle d’un gardien numérique qui décide ce qui mérite d’être approfondi.
Le second semi-conducteur, l’ADC d’acquisition de données, a récemment passé les derniers tests et est maintenant en pleine production. Cette puce, décrite dans un article de l’IEEE au début de l’année, sera installée dans le cadre de la prochaine mise à niveau du LHC. Elle numérisera très précisément les signaux sélectionnés, ce qui permettra aux physiciens d’explorer des phénomènes tels que le boson de Higgs, dont la découverte au CERN a fait la une des journaux en 2012 et a conduit au prix Nobel de physique en 2013, mais dont les propriétés exactes restent encore mystérieuses.
Ces deux semi-conducteurs sont le résultat d’une collaboration directe entre physiciens fondamentaux et ingénieurs.
Il a également créé des opportunités de collaboration entre plusieurs institutions. Les puces ont été conçues par des ingénieurs électriciens de Columbia et de l’université du Texas à Austin, en étroite collaboration avec des physiciens des laboratoires Nevis de Columbia et de l’université du Texas à Austin.
Image : La puce de l’équipe traite les informations provenant de millions de collisions par seconde. Crédit : Expérience ATLAS. Copyright 2025 CERN
Paper: https://doi.org/10.1109/OJSSCS.2025.3573904
If you enjoyed this article, you will like the following ones: don't miss them by subscribing to :
