Física de Alta Energía

Listado de proyectos

Colaboración con CERN

Detectores sTGC para el ATLAS Experiment del LHC – CERN

Beneficios

  • Precisión en la captura de datos. Contribuye a la reducción del 90 al 30% la información no relevante captada en las colisiones del ATLAS Experiment. 
  • Tecnología validada para su desarrollo en sólo cinco países en el mundo: Chile, Israel, Canadá, China y Rusia.
  • Amplia gama de aplicaciones más allá de la física de partículas: 
    • En minería, por ejemplo, permite determinar la composición de montañas, identificando cavidades y estructuras internas, precisando los lugares apropiados para dinamitar y reduciendo la posibilidad de accidentes. 
    • En medicina, específicamente en radioterapia, permite medir en tiempo real el plan de irradiación al paciente, evitando afectar tejidos sanos a un costo significativamente menor que los equipos disponibles en el mercado.

Funcionalidad

La tecnología sTGC está constituida principalmente de cátodos y un ánodo de alambres de tungsteno de 50 micrones (µm) de diámetro, formando circuitos impresos en forma de tarjeta electrónica. El ensamble de dos cátodos y sus respectivas estructuras internas componen una cámara de solo 5.6 mm de espesor, con una precisión de 40 µm. Finalmente, un conjunto de cuatro cámaras se testea inyectando una mezcla gaseosa de CO2 y pentano y aplicando alto voltaje, lo que permite una amplificación de la ionización que producen las partículas que lo atraviesan.

El equipo detecta radiación ionizante y es principalmente usado para muones, debido a la capacidad de penetración y la cantidad de ionización que estas partículas generan. Así, con la posibilidad de reconocer sus trazas, sus aplicaciones se amplían a distintos ámbitos como la investigación, la industria y la medicina.

Etapa

En cuanto al compromiso con CERN, hemos cumplido con el compromiso asumido por el Estado de Chile de desarrollar y entregar 33 módulos detectores para el ATLAS Experiment del LHC.

DAQ System

Descripción

Desarrollo de una tarjeta de adquisición rápida de señales para experimentos relacionados con detección de partículas y otras aplicaciones, con una cantidad total de 16 canales para el muestreo de señales análogas.

Beneficios

  • Sistema versátil en la adquisición de señales, enviando información a un computador de múltiples formas, como USB (UART), TCP y Elink (protocolo utilizado en el CERN). 
  • Incorpora un System on Module (SoM) capaz de realizar procesamiento de señales en la misma tarjeta que puede enviar los datos pre procesados.
  • Aplicable a diversos proyectos de monitoreo de señales y detección de eventos de coincidencia.

Funcionalidad

Entre las tecnologías más importantes para su desarrollo se encuentra Domino Ring Sampler, que corresponde a un arreglo capacitivo que almacena señales análogas de alta frecuencia y las mantiene hasta que se solicita su lectura a una frecuencia más baja, siendo apta para adquisidores de menor presupuesto. 

Parte del trabajo ha contemplado: 

  • Diseño y fabricación tarjeta prototipo con DRS4 y ADC rápido.
  • Diseño y fabricación “breakout board ” DRS4 para desarrollo de firmware y mejor comprensión del integrado.
  • Desarrollo firmware control de ADC rápido y complementos
  • Diseño y fabricación tarjeta con 16 canales rápidos

Etapa

Actualmente, el DAQ System se encuentra en desarrollo del prototipo de 16 canales.

Colaboración con Jefferson Lab

Double Target System

Descripción

Dispositivo electromecánico, o sistema de doble blanco, diseñado y fabricado para ser utilizado bajo condiciones ambientales extremas de alto vacío, alto campo magnético, rangos de temperaturas que pueden oscilar entre -272 a 600 °C y radiación ionizante que descompone la materia.

Dónde se implementará

Este dispositivo será instalado en el acelerador de partículas de Jefferson Lab, específicamente en el experimento Clas12 (Hall B), cuyo objetivo es alcanzar uno de los desafíos fundamentales de la física de partículas: la comprensión cuantitativa de los quarks y los gluones en la Cromodinámica Cuántica (QCD).

Otras aplicaciones

El desarrollo de este dispositivo abre un abanico de posibilidades en cuando a aplicaciones en condiciones ambientales extremas, desde ambientes mineros, industria química hasta el desarrollo aeroespacial y satelital nacional e internacional.

Polarized Target

Descripción

Este proyecto consiste en mejorar el target (o blanco fijo), un cristal de amoniaco sólido (NH3) con canales para flujo de helio líquido que se usará en el experimento Clas 12 de Jefferson Lab. Para lograr esto, se han realizado tanto trabajos experimentales como simulaciones mediante COMSOL, un software que se utiliza principalmente para el desarrollo de soluciones tecnológicas y el modelado multifísico en materia de ciencia e ingeniería, con el que se pueden resolver problemas asociados al campo de la transferencia de calor, fluidos, transporte de partículas, entre otros.

Beneficios

Los objetivos de amoníaco (NH3) para experimentos con objetivos polarizados tienen varias ventajas, como una alta resistencia al daño por radiación, factor de dilución (14-17,6%) y potencial de polarización (95-99%).

Metodología

Los objetivos se fabrican solidificando NH3 líquido en forma de pequeñas perlas con un diámetro de entre 2 y 5 mm. Este procedimiento proporciona una gran superficie de transferencia de calor para el enfriamiento del objetivo. Sin embargo, esto da como resultado un objetivo muy estresado y frágil que, en un lapso de tiempo experimental, se reduce a polvo debido al choque térmico de las cargas de calor y el daño por radiación. 

Es así como se desarrolló con éxito un nuevo método para objetivos polarizados NH3 que mejoran la calidad del cristal, así como sus propiedades, y la geometría objetivo proporciona un efecto homogéneo y eficiente de distribución de temperatura.

Otras aplicaciones

Diseño de refrigeradores criogénicos, criostatos y líneas de transferencia: Contempla el trabajo y desarrollo de máquinas térmicas, diseño de procesos de transferencia de calor y masa que permitan construir sistemas de refrigeración y de dispositivos y equipos con la capacidad de preservar los fluidos criogénicos (helio líquido, nitrógeno líquido, entre otros) y utilizarlos para la realización de procesos de refrigeración o experimentos.

Todo el conocimiento y  capacidades desarrolladas en torno a este proyecto se podrían aplicar en diversos campos, como en microbiología, preservación y tratamiento de muestras biológicas; industria aeroespacial, en sistemas de combustibles; medicina, en sistemas de refrigeración de resonancia magnética; astronomía, en sistemas de refrigeración de telescopios; física experimental, en física de altas energías y materia condensada, como en temas como superconductividad y aceleradores de partículas; energía, enfriamiento de reactores nucleares de fisión, almacenamiento de energía, diseño de reactores de fusión.

Power Supply – Fuente de poder con 96 canales de alto voltaje configurables

Descripción

Fuente de poder multicanal para experimentos de física de alta energía.

Características

  • 96 canales de alto voltaje independientemente.
  • Salidas de 0 a 96 Volt para cada canal.
  • Desarrollo PCB/SCH completo.
  • Tecnología BuckBoost y SPI.
  • Interfaz de usuario amigable con raspberry pi.
  • Servidor local interno.
  • Control local y remoto operar a distancia vía ethernet.
  • Diseño mecánico robusto de alto uso.

Otras aplicaciones

Física médica, mediciones nucleares, otras.

Cuatro mil guías de luz

Descripción

Entre 2012 y 2013 CCTVAL fabricó 4 mil guías de luz para el experimento GlueX Jefferson Lab, cuya función radica en condensar y transmitir luz a sensores para determinar la presencia de nuevas partículas.

Estos dispositivos son prismas cuya forma es similar a la de una pirámide truncada. Se fabricaron con un material de acrílico UVT, que entre sus propiedades funciona como transmisor de rayos ultravioletas. Lo particular de su diseño son sus ángulos que permiten que la reflexión de la luz rebote en sus paredes y salga sin perder un solo haz de luz.

Funcionalidad

Cuando una partícula entra al calorímetro este emite luz en una cantidad proporcional a la energía de la partícula. Esta luz, que debe ser detectada con mucha precisión, es dirigida hacia los sensores por las guías de fabricadas. 

Los sensores, que son fotomultiplicadores de silicio de última generación, la transforman en señales electrónicas amplificadas para luego ser leídas por el sistema de adquisición de datos.

Dónde se implementará

Estos dispositivos se colocaron en el subdetector de GlueX – un calorímetro electromagnético llamado BCAL- con el objetivo de maximizar la cantidad de fotones a detectar.

Otras aplicaciones

Diez modelos distintos de estas piezas se construyeron para el experimento GlueX en ocho meses de trabajo. Si bien, estas piezas están pensadas para el campo científico, no se descarta su uso en la industria.

Caracterización de 2800 MPPC

Descripción

El proyecto MPPC (Multi Pixel Photon Counter por sus siglas en inglés), o fotomultiplicadores de silicio, se desarrolló entre los años 2010 y 2012 y consistió en la caracterización de 2800 de estos dispositivos contadores de fotones, con 16 canales de medición, los cuales son utilizados hasta la fecha en el experimento GlueX, en el marco de la colaboración que el CCTVal mantiene con Jefferson Lab. 

La caracterización completa de los MPPC, fabricados por la empresa Hamamatsu en Japón, implicó la verificación del estado del producto y obtención de parámetros de funcionamiento tales como eficiencia de detección de fotones, voltaje de ruptura y ganancia para diferentes temperaturas.

Funcionalidad

Una de las cosas más relevantes fue que se trabajó con una tecnología relativamente para ese entonces, de la cual no existían mayores referencias. Posteriormente, a partir de los resultados de los análisis de esta caracterización, se desarrollaron varias investigaciones científicas que hasta ahora son ampliamente citadas.

Dónde se implementará

Estos dispositivos fueron incorporados al Calorímetro Electromagnético (BCAL) del experimento GlueX, cuyo objetivo radica en comprender las fuerzas fundamentales dentro del núcleo atómico, y detectar nuevas partículas que se producen al chocar electrones con núcleos a altas energías.

Otros Proyectos

Hodoscopio

Descripción

Dispositivos como éstos existen en diferentes lugares del mundo, pero están basados en la utilización de tubos fotomultiplicadores (PMT), diodos PIN, y tubos Geiger-Müller (G-M Tube). Nuestro laboratorio tiene un prototipo construido en base a detectores de última tecnología de estado sólido: Multi Pixel Photon Counters (MPPC). Esta tecnología permite fabricar un Hodoscopio con una mayor versatilidad y robustez. El prototipo actual servirá como base para el diseño de un nuevo Hodoscopio. Construir un Hodoscopio que pueda ser operado por estudiantes de Enseñanza Media, con el fin de acercar a los jóvenes a la física de partículas subatómicas y Desarrollar un sistema de adquisición de datos que permita centralizar la información de varios dispositivos, distribuidos en distintos colegios.

Detector Preshower

Descripción

En su origen, este proyecto consiste en el diseño y construcción de un calorímetro, denominado Preshower, sensible a la posición por la cual pasa una partícula y a la energía depositada por esta en algunos de los cristales centelladores de su arreglo cuadrado de cristales. Preshower es un detector tipo multipixel, conformado por 625 cristales LYSO, ubicados en una matriz de 10 cm x 10 cm, los que centellean cuando una partícula deposita parte de su energía en ellos. El espectro de luz emitida, se encuentra en torno a los 360[nm].

NASA

Descripción

Tras haber trabajado de manera exitosa en proyectos experimentales relacionados a las áreas de física de partículas, análisis de datos, construcción de piezas y desarrollo de softwares. El CCTVal y el Jefferson Lab (JLab) se adjudicaron un fondo concursable de la National Aeronautics and Space Administration, más conocida como NASA, que tiene el fin de implementar un sistema de fusión de información científica de sus mediciones satelitales sobre la Tierra, para el que se debe desarrollar un software de gran escalabilidad que sea capaz de procesar datos satelitales masivos.

ANDES

Descripción

La construcción del túnel Aguas Negras que unirá Chile y Argentina es una gran oportunidad para tener por primera vez en Latinoamérica un laboratorio científico subterráneo de gran profundidad en donde se desarrolla ciencia en su estado del arte. Agua Negra Deep Experiment Site, A.N.D.E.S., significa integración científica entre las naciones latinoamericanas. La idea es establecer un Laboratorio subterráneo que atraerá a científicos de todo el mundo a desarrollar experimentos de primera línea y a establecer colaboraciones experimentales en Sudamérica. Este proyecto representa una gran oportunidad para la comunidad científica, ya que las características geográficas del lugar son muy favorables desde el punto de vista científico.