Miembros del Cuerpo Académico de Partículas, Campos y Relatividad General de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas (FCFM) de la BUAP, así como estudiantes de licenciatura y posgrado, desarrollan tecnología enfocada al estudio de los constituyentes básicos en la formación de la materia y del Universo, así como las interacciones fundamentales que gobiernan su comportamiento, es decir, la Física de Partículas.

Los prototipos que se crearán son sistemas eficientes de generación de señales de disparo, de adquisición de datos y de cómputo para monitorear la física de colisiones de iones pesados, particularmente la que ocurre en el experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN, situado en Ginebra, Suiza.

Los doctores Mario Rodríguez Cahuantzi, Guillermo Tejeda Muñoz, Mario Iván Martínez Hernández y Arturo Fernández Téllez, forman parte de este cuerpo académico y participan activamente en el experimento ALICE. También colabora la doctora Iraís Bautista Guzmán, quien realiza su estancia posdoctoral en la FCFM; los estudiantes de posgrado Emma González, Luis Alberto Pérez Moreno, Abraham Villatoro Tello, Sebastián Rosado Navarro y Héctor Bello Martínez; de la Licenciatura en Física, Omar Vázquez Rueda y Rafael Espinosa Castañeda, quien es alumno de la UDLAP y realiza servicio social en el Laboratorio de Partículas Elementales.

Arturo Fernández Téllez subrayó que “se construirán prototipos de sistemas de adquisición de datos, de control y monitoreo remoto de detectores, así como de generación de señales ‘de disparo’ para uso en experimentos de colisionadores, como el experimento ALICE que se realiza en el LHC del CERN, donde están involucrados científicos de la BUAP. Además, estudiantes de licenciatura y posgrado elaboran tesis sobre el desarrollo de dichos sistemas”.

Investigación en marcha

Experimentos como ALICE almacenan sólo un porcentaje mínimo de las colisiones entre partículas subatómicas (protones) que viajan a velocidades ultra-relativistas, que suceden en el túnel del LHC. Sólo aquellos eventos de colisión que satisfacen requisitos físicos bien establecidos son registrados, almacenados y posteriormente analizados, para extraer información útil para los científicos. Cada segundo, en el LHC suceden cerca de 20 millones de eventos de colisión, de los cuales, menos de 200 mil son de interés físico.

El sistema encargado de seleccionar los eventos físicos de interés se conoce como “Sistema Central de Disparo” (Central Trigger Processor-CTP). Esta característica del CTP de ALICE lo convierte en un sistema vital para la consecución de las metas científicas del experimento, señaló Mario Rodríguez Cahuantzi. Por lo tanto, el desarrollo de prototipos que busquen la optimización de este sistema es una tarea trascendental.

Cuando el evento físico de interés es seleccionado, el siguiente paso es decodificar la información digital proporcionada por los diferentes sistemas electrónicos de los detectores de ALICE, en información física mediante complejos algoritmos físicos y computacionales de reconstrucción. Este proceso lo llevan a cabo los sistemas DAQ (Data Acquisition) y Offline.

Esta acción representa un gran reto, ya que cada evento o colisión captada genera una gran cantidad de información, misma que alcanza un espacio de memoria de 1.2 GB; regularmente se registran alrededor de 200 mil eventos físicos (“buenas colisiones”) por segundo. Por esta razón, se necesita un sistema de cómputo bastante robusto, para analizar y extraer la física del evento de la colisión.

El Sistema de Control y Monitoreo Remoto, denominado DCS, por sus siglas en inglés Detector Control System, es otra de las herramientas esenciales para llevar a cabo un experimento en el LHC.

Experimentos como ALICE o CMS incluyen decenas de sistemas de detección, cada uno con complejos instrumentos que registran lo que sucede cuando las partículas aceleradas, con altísima energía, chocan y producen miles de partículas microscópicas. Los detectores que registran lo ocurrido en cada evento de colisión, deben trabajar de manera óptima en todo momento y, por tanto, deben ser monitoreados constantemente.

El DCS es un sistema computacional que evalúa permanentemente el desempeño de estos aparatos de medición y debe avisar a los encargados de la operación cuando sucede alguna avería. El monitoreo debe ser remoto, debido a la enorme radiación electromagnética que se emite cuando el LHC está en funcionamiento.

En el Laboratorio de Partículas Elementales de la FCFM-BUAP se desarrollan prototipos de los sistemas CTP, DAQ y DCS, principalmente para ser usados por el experimento ALICE-LHC del CERN. Los físicos del Cuerpo Académico de Partículas, Campos y Relatividad General, al igual que sus estudiantes de licenciatura y posgrado, se han especializado en estas tareas desde hace más de 12 años.

Resultados concretos

Un resultado concreto de este trabajo es la construcción de los sistemas de detección ACORDE (ALICE Cosmic Ray Detector) y ADD (ALICE Diffractive Detector), a cargo de un grupo de científicos mexicanos de la BUAP, la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS), del Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados (Cinvestav) y la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Estos detectores están operando y participan en la segunda corrida de toma de datos del acelerador LHC.

De manera paralela, el doctor Arturo Fernández Téllez informó que un grupo de estos investigadores mexicanos participa en la toma de datos supervisando el desempeño de los detectores ACORDE y ADD del experimento ALICE, el cual está conformado por 18 subsistemas de adquisición de datos o detectores.

El proyecto “Adquisición de equipo complementario para la instrumentación y el procesamiento de datos en Física de Altas Energías y Astropartículas”, a cargo del Cuerpo Académico de Partículas, Campos y Relatividad General, obtuvo 4.5 millones de pesos como resultado de la convocatoria Apoyo al fortalecimiento y desarrollo de la infraestructura científica y tecnológica 2015, del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt). Del total de las solicitudes presentadas, menos del 30 por ciento fueron aprobadas.

El equipo y la infraestructura que se obtendrán con el financiamiento obtenido por parte del Conacyt, permitirá a los miembros de dicho cuerpo académico, involucrados en el proyecto ALICE, realizar estudios de frontera a nivel experimental y teórico en las áreas de Física de iones pesados, rayos cósmicos, interacciones electromagnéticas en colisiones ultra-periféricas y procesos difractivos.

Esto permitirá la generación de recursos humanos del más alto nivel en estas áreas, así como el desarrollo de sistemas electrónicos que serán utilizados en la actualización de los sistemas de disparo y adquisición de datos del experimento ALICE en el CERN.

Además, parte de este apoyo económico servirá para fortalecer la infraestructura del equipo de cómputo de la FCFM, llamado clúster Fénix, donde se analizan datos de los experimentos ALICE y CMS del LHC, en el CERN, al igual que del Observatorio Pierre Auger, situado en Argentina.