El CERN: Ciencia, Tecnología e Innovación FP... · Acelerador de Partículas, un haz para batir...

El CERN: Ciencia, Tecnología e Innovación

Mar Capeáns Garrido

CERN (European Laboratory for Particle Physics)


• Física de Partículas

• Tecnologías e innovación

• Ciencia collaborativa

• Educación

Mar Capeans, CERN 2 FP Innova 2018

Física de Partículas

Parte de la Física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos

Partículas y Fuerzas

FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 3


protón + 10-15 m

electrón – 10-18 m

Átomo 10-10 m

Modelo Estándar de Partículas


Composición del Universo


Materia 5%

Materia Oscura

24% Energía Oscura

71%


Materia y Antimateria


Aceleradores Microscopios Telescopios (radio y ópticos) Prismáticos

EXPLORAR REPRODUCIR

Buscando Respuestas

El LHC, la máquina del tiempo


LHC@CERN Hoy


• Fundado en 1953 por 12 países europeos, España se une en 1961-69 y 83

• Hoy: 22 estados miembros

• Plantilla: 2500

• Usuarios: 12000 (600 universidades y centros de investigación)

• Presupuesto: 1100 MCHF anuales

Ingredientes de la Física de Partículas experimental

• Física

• Aceleradores • Imanes, cavidades de radiofrecuencia, cámaras de vacío…

• Detectores de partículas • Sensores, electrónica rápida, mecánica de precisión…

• Conversión de señales y filtrado de datos • Electrónica, sistemas de adquisición de datos, computación

• Análisis de datos • Computación

• Física


Física

Interaccióncon los

detectores

Respuestade los

detectores

Datos

Respuestadel

detector

Análisis de física

Resultados

Rupturas tecnológicas

• Aceleradores: imanes superconductores (8T)

• Detectores: alta densidad, rápida electrónica digital (100 millones de canales registrando señales cada 25ns)

• Computación: procesado de datos distribuido (Grid/Cloud)


50’s – 70’s

LHC


Acelerador de Partículas

Conocimiento


Ingeniería civil

Control y adquisición de datos

Seguridad y Controles industriales Instrumentación de proceso

Instrumentación científica

Ingeniera eléctrica

Radiofrecuencia

Imanes

Fuentes de potencia Distribución y estabilización de redes eléctricas

Superconductividad Criogenia

Vacío/Materiales

Mantenimiento

Electrónica analógica y digital Opto electrónica

Evaluación y protección contra radiaciones

Informática de sistemas y de datos Redes de computación y comunicaciones

Plasma Técnicas de análisis/tratamiento de superficies Química de polímeros/aislantes

Ingeniera mecánica

Microelectrónica

Técnicas de fabricación y ensamblaje

Sistemas de ventilación y enfriamiento

Metrología de precisión

Física teórica

Física aplicada

Física nuclear

Óptica

Ingeniera electrónica

Ingeniera industrial

Diseño 3D Robótica

Logística Gestión de calidad

Acelerador de Partículas, tecnologías punteras

• 26 659 m de longitud

• 8.33 Tesla de campo magnético ¡una corriente de 11 850 A en las bobinas

• -271.3 °C (1,9 K) de temperatura de funcionamiento (37 500 t de imanes)

• 9 593 imanes principales, 1 232 dipolos (15 m/35 t) y 392 cuádrupolos (8 m/15 t)

• 7 600 km (270 000 km de hilo) de cable superconductor ¡6 veces la distancia tierra sol de filamento NbTi!

• 10-5 de calidad de campo magnético

• 10-6 de precisión de las fuentes de corriente

• 40 s para descargar la energía de los imanes equivalente a 10 GJoule


10 GJoule flying 700 km/h

Acelerador de Partículas, un haz para batir records

• 13 TeV de energía de colisión / 6,5 TeV en cada haz

• 11 245 revoluciones por segundo

• 2808 paquetes en cada tren, 115 mil millones de protones por paquete

• Ø64 micras (diámetro de un cabello) x 0.5 m el paquete

• 10 micras de alineamiento…

• 600 millones de colisiones por segundo

• 300 microsegundos para extraer el/los haces del LHC

• 724 MJoule de potencia almacenada en los haces


700 MJ melt one ton of copper

Detector de Partículas

• Cámara de fotos que cada segundo toma 40 millones de fotos de la colisión con 100 Mpixel

• Los detectores del LHC registran todo tipo de partículas

• Se guarda 1 foto de cada millón

• El detector de partículas ideal debe

• Garantizar cobertura del ángulo sólido completo (sin grietas, segmentación fina)

• Medir el momento y/o energía

• Detectar, rastrear e identificar todas las partículas (masa, carga)

• Responder rápidamente, sin tiempo muerto

• Convertir la información en señales (eléctricas)



Detector ATLAS Altura: 25 m Largo: 46 m Peso: 7000 T

3000 km de cables

CATEDRAL de SANTIAGO Altura: 76 m Largo: 96 m


6.2 m

2.1 m

Detectores de Silicio


768 p+ microstrips Cell size: 80 m [ pitch] 13 cm [z]

4 Silicon sensors

280 m thick

12.8 cm

Hybrid assembly with readout chips

Be module baseboard with mounting points & central TPG

TPG (thermal pyrolythic graphite) plate for sensor cooling

Connector

Power & data

Readout chips

Sistema 4000 modules, 6.3 106 canales

Superficie: 61 m2

Eficiencia: 99.9%

Sistema

• Sensor de silicio

• Electrónica de lectura

• Interconexión sensor/electrónica

• Soportes mecánicos

• Sistemas térmicos/refrigeración

• Distribución de potencia, señales…

• Servicios: cables, tubos, fibras…

• Sensores auxiliares: alineamiento, T, P, H….

• Test, control (IT)

• Sistemas de instalación


Evaluación y protección contra radiaciones

Control y adquisición de datos

Controles industriales, seguridad de sistemas

Instrumentación de proceso

Informática de sistemas y de datos

Redes de computación y de comunicaciones

Electrónica analógica y digital, optoelectrónica

Microelectrónica para detectores

Mantenimiento de sistemas

Fluidos, sistemas de ventilación y enfriamiento

Instrumentación científica

Ingeniera eléctrica

Materiales

Ingeniera mecánica

Técnicas de fabricación y ensamblaje

Metrología de precisión

Física y Física aplicada

Mejora permanente de los detectores

El experimento ALICE está construyendo un nuevo detector de trazas (Ref. CERN-LHCC-2013-024)

• Más próximo al punto de interacción

• Más ligero

• Con más canales electrónicos

• Con mayor resolución

• Más rápido


Innovación

ALICE ITS

Detector súper ligero, súper compacto

• Sensores de silicio de 50 µm de espesor: incluye los sensores y la electrónica de lectura

• Integración de la estructura mecánica en fibra de carbono con el sistema de refrigeración de los modules

• Optimización de los servicios: sensores conectados a cables realizados con tiras de poliamida y pistas de aluminio, que alimentan la electrónica y a la vez transmiten las señales al exterior

Electrónica de lectura: señales y datos


Energía

Luz

Luz

Corriente

Corriente

Voltage

Voltage

Bits

Bits

Luz

Datos y Filtros


• Si todos los datos generados se registrasen, se necesitarían 100,000 CDs / s • Equivalen 50 000 millones de llamadas de teléfono realizadas al mismo tiempo • Solo se graba una fracción de todos los datos, que equivale a 27 CDs/ min • Primera selección de datos con un sistema de filtrado (trigger) en 3 niveles:

Trigger Método Entrada Sucesos/s

Salida Sucesos/s

Factor de reducción

Nivel 1 HW (μ, Calo)

40 000 103 100 103 400

Nivel 2 SW (RoI, ID)

100 103 3 103 30

Nivel 3 SW 3 103 0.2 103 15

Tier O Worldwide LHC Computing Grid

GRID: almacenado, procesado y distribución


¿Físicos o Tecnólogos?


FCC

CLIC

HL-LHC

Hoy

Agresiva I+D en rupturas tecnológicas High Luminosity LHC (HL-LHC)


Robótica


De ChristophRoser

Robótica @ CERN

Garantizar la seguridad del personal Mejorar la disponibilidad de los aceleradores del CERN

Robótica


[CATEGORY NAME]

[PERCENTAGE]

[CATEGORY NAME]

[PERCENTAGE]

[CATEGORY NAME]

[PERCENTAGE]

TYPES OF INTERVENTIONS

M. Di Castro/CERN

Impresión 3D Componentes multifuncionales, prototipos 1:1, reparaciones in situ, geometrías complicadas, producciones pequeñas…


44

Thickness wall: 0.4mm

Soporte de tarjetas electrónicas, tuberías de enfriamiento complejas con conexiones de entrada y salida (15 bar)

Antena RF: 2 Soportes en resina epoxi 3D para reemplazar 11 componentes mecanizados previamente en G11

Cuando la industria va mas rápido


G.Borghello/CERN

Computación del futuro


0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

450,0

Run 1 Run 2 Run 3 Run 4

CMS

ATLAS

ALICE

LHCb

Hoy

PB

/añ

o

2023

Maite Barroso/CERN

Estimación de la necesidad de CPU para el procesamiento de datos por año basada en la simple extrapolación del rendimiento de ejecución escalado por número de eventos.

1 P

b =

10

00

mill

on

es d

e G

ygab

ytes

1

Gig

abyt

e: p

elíc

ula

TV

¿Podría la Web o Grid haberse originado en otro sitio?

Quizás,

pero a menudo nos enfrentamos a desafíos 5 a 10 años antes que los demás empujados por las necesidades experimentales:

• La necesidad de herramientas de colaboración para Global Science llevó a adoptar la Web

• La necesidad de colaboración de los recursos informáticos para el Global LHC llevó a adoptar Grid Computing

• La necesidad de compartir los resultados llevó el CERN a allanar el camino para abrir el acceso total a los documentos, y ahora los datos Y ha sido puesto (gratis) a disposición de la sociedad


Maite Barroso/CERN

Ciencia colaborativa


Experimento Países Inst it uciones Cient íficos

ALICE 37 154 ~1500

ATLAS 38 182 ~ 3000

CMS 46 182 ~ 3500

LHCb 16 69 ~ 800

Ciencia colaborativa


DesignPrototyping

Module Construction

RU, US

CERN, USProcurement in Firms

EU, US, RU, FR, etc

Electronics

CERN, US, DK, SE

Services(gas, cooling, cables, sensors,

etc)

CERN, US, DK, RU, SE, PO

Tests

CERN, RU, US

Integration

Installation

CERN Commissioning

R&D

Transferencia de conocimiento y tecnología


I+D & Industria, ¿Cliente, Proveedor o Experto?

• Transferencia convencional

• Transferencia colaborativa

• Las soluciones y los principales socios industriales se identifican al inicio del ciclo de desarrollo (I+D), ya que proporcionan la base para una evaluación técnica, costes, planificación, análisis de riesgo. Es importante que los investigadores y la industria trabajen juntas, y con socios internacionales, para establecer competencias y capacidad de construcción.

• Las primeras etapas (I+D) son una fase muy productiva, ya que proporcionan la base para un posterior spin-off y exposición internacional.

• Muchos de los aspectos educativos y de capacitación permanecen, independientemente de si la tecnología específica no se elige para la implementación final.


Vector de formación y de desarrollo profesional Multidisciplinario y multicultural…


Programas de entrada para Técnicos


Profesionales (STAFF)

Diploma Técnico

Technician Training Experience (TTE)

<4 años de experiencia

Contrato 1+1 Contrato 5+3

Nivel Universitario: • Bachelor • Master • PhD • Proffesional

https://careers.cern



• Hemos construido los instrumentos científicos más complejos de la historia de la humanidad

• Existe una relación muy estrecha entre los descubrimientos en Física y los desarrollos en instrumentación (Aceleradores, Detectores, Electrónica e Informática)

• El descubrimiento del bosón de Higgs es de un valor inconmensurable, realizado gracias a la colaboración de miles de científicos

• La tendencia en instrumentación es el desarrollo de diseños cada vez más integrados, realizados en estrecha colaboración entre expertos en microelectrónica, ingeniería mecánicos/térmicos, ciencia de materiales y micro/nano-tecnologías, ciencias de la información...

• La curiosidad y los descubrimientos científicos definen el progreso de la sociedad; es un proceso complejo, con grandes beneficios económicos y sociales que suceden en una escala de tiempo impredecible y a veces larga

• Cuanta más ciencia, mejor

Buscando las respuestas a la

creación del universo

Haciendo avanzar las

fronteras de la tecnología

Formando los investigadores y tecnólogos del

futuro

Uniendo las naciones a través

de la ciencia

El CERN: Ciencia, Tecnología e Innovación FP... · Acelerador de Partículas, un haz para batir...

Documents

Transcript of El CERN: Ciencia, Tecnología e Innovación FP... · Acelerador de Partículas, un haz para batir...