27 км тоннелей, миллиарды столкновений в секунду — и два чипа, которые переживают апокалипсис элементарных частиц

В тоннелях Большого адронного коллайдера, протянувшихся на 27 километров под землёй между Швейцарией и Францией, царит настоящая враждебность ко всей электронике. Частицы, разогнанные почти до скорости света, сталкиваются с колоссальной энергией, создавая водовороты материи, излучения и данных. Эти столкновения помогают искать ответы на самые глубокие вопросы о природе Вселенной, но при этом уничтожают почти любую электронную начинку, которую туда попробуют установить.

Физикам в CERN приходится решать непростую задачу: как собирать и анализировать данные в условиях, где стандартные микросхемы просто отказывают. На рынке почти нет готовых решений, способных пережить столь высокий уровень радиации. Производителям чипов это направление невыгодно, поэтому инициативу пришлось взять на себя университетам.

Профессор инженерии Колумбийского университета Питер Кингет рассказал, что крупные научные прорывы в коллайдере станут возможны благодаря двум микросхемам, созданным в его команде. Именно они будут запускать регистрацию событий и обеспечивать точнейшую обработку сигналов. Команда Кингета разработала специализированные аналогово-цифровые преобразователи, которые умеют фиксировать слабейшие сигналы после столкновений частиц и надёжно преобразовывать их в цифровые данные. В обычных чипах такой точности добиться невозможно, особенно в условиях, где даже минимальное излучение способно нарушить работу логических схем.

Инженеры использовали коммерческие технологии, но адаптировали их под требования CERN. Они детально проработали компоновку элементов, минимизировали уязвимость к радиации и встроили механизмы автоматической коррекции ошибок. В результате получились микросхемы, рассчитанные на долгосрочную работу в экстремальной среде, где другие решения просто не выживают.

Одна из микросхем уже работает на ускорителе. Она отвечает за предварительную фильтрацию событий, отбрасывая большую часть из миллиардов столкновений в секунду и оставляя только самые перспективные для дальнейшего изучения. Вторая микросхема недавно прошла финальные тесты и будет установлена при следующем обновлении ATLAS — одного из ключевых детекторов LHC. Её задача — максимально точно оцифровывать выбранные сигналы и давать физикам возможность изучать такие явления, как бозон Хиггса, чьи свойства до сих пор вызывают множество вопросов.

Работа над проектом объединила инженеров из Колумбийского университета и Университета Техаса, а также физиков из лаборатории Невис. Это пример того, как сотрудничество между фундаментальной наукой и инженерией может расширить границы познания. Один из участников проекта, аспирант Рэй Сюй, признался, что возможность внести инженерный вклад в изучение основ мироздания делает этот проект по-настоящему уникальным.