¿Cómo sincroniza el CERN los dispositivos de cronometraje?

El Gran Colisionador de Hadrones mide 17 millas (27 kilómetros) de circunferencia. Es el acelerador de partículas más grande del mundo y su construcción costó más de $ 10 mil millones. Pero es solo una de las muchas piezas asombrosas de tecnología que los científicos del CERN utilizan en sus investigaciones de física. El CERN ejecuta una serie de aceleradores lineales y circulares y otras instalaciones, como un separador de masas y un desacelerador antiprotones, para realizar investigaciones de física. En algunos casos, las pruebas en el CERN se llevan a cabo a grandes distancias: los neutrinos se envían regularmente desde el CERN al Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia (LNGS) a 450 millas (724 kilómetros) de distancia.

Cuando los aceleradores de partículas transmiten materia a través de grandes distancias a la velocidad de la luz, naturalmente deben sincronizarse con una precisión casi perfecta. A pesar de la distancia mencionada anteriormente, la velocidad de esos neutrinos podría medirse con una precisión de 10 nanosegundos. ¿Cómo gestiona el CERN ese tipo de precisión? Usan GPS, relojes atómicos y una gran cantidad de cables ópticos para interconectar una amplia gama de tecnología.

Los científicos del CERN han escrito artículos complejos y detallados que explican el funcionamiento interno de sus sistemas de sincronización. Las frecuencias de las señales, los sistemas de medición y las ecuaciones de precisión son solo algunos de los elementos de los informes del CERN que los científicos devoran y el resto de nosotros frunce el ceño, incluido uno que detalla la calibración del enlace de tiempo del GPS entre el CERN y el LNGS .

Aquí está la versión corta: al medir la velocidad de los neutrinos que viajan desde el CERN hasta el Laboratorio Nacional Gran Sasso (LNGS), los científicos necesitan sincronizar con precisión sus instrumentos. Por lo tanto, las mediciones GPS de un pulso por segundo (PPS) tienen un sello de tiempo con un sistema de medición llamado CTRI, que se basa en el reloj atómico que está vinculado a ambos laboratorios y está emparejado con un sistema GPS. Esas marcas de tiempo se pueden comparar entre las dos ubicaciones, y la diferencia de tiempo revela el tiempo de vuelo de los neutrinos. Suena bastante simple, ¿verdad?

Bueno, las configuraciones aún requieren todo tipo de pruebas para garantizar la precisión y las ecuaciones para dar cuenta de los inevitables márgenes de error. Los receptores que utiliza el CERN en la comunicación con LNGS están certificados por la Oficina Federal de Metrología de Suiza . Debido a que se trata de números tan precisos, incluso la posición de una antena y los cables utilizados pueden alterar los resultados.

El Gran Colisionador de Hadrones utiliza una tecnología llamada WorldFIP para sincronizar sistemas en 10 nanosegundos. WorldFIP es un bus de campo, una tecnología utilizada para interconectar una gran cantidad de sistemas, algo que obviamente necesita el LHC. Al igual que los sistemas de cronometraje utilizados para coordinar el seguimiento de neutrinos entre el CERN y el LNGS, WorldFIP está conectado a un sistema GPS. Los datos de ese sistema se transmiten al equipo a través del Gran Colisionador de Hadrones para mantener todo sincronizado con el tiempo universal.

Con un reloj maestro basado en un oscilador, el CERN puede proporcionar a su equipo datos de tiempo con una precisión de un nanosegundo. Una de las tareas más desafiantes del sistema WorldFIP es mantener 1.800 convertidores de potencia sincronizados en un milisegundo. También sirve para sincronizar el monitoreo de radiación, el posicionamiento de imanes, la criogenia y otros sistemas en el LHC.

Por supuesto, no todos los sistemas del Gran Colisionador de Hadrones tienen que ser tan precisos. Algunos tienen margen de maniobra de decenas o incluso cientos de milisegundos. Teniendo en cuenta que la instalación es tan grande y está repleta de algunas de las tecnologías más complejas del mundo, sigue siendo bastante impresionante.

¡Vaya!

Cuando el CERN anunció en septiembre de 2011 que podría haber encontrado evidencia de que los neutrinos se movían más rápido que la velocidad de la luz, sacudió al mundo científico y desencadenó una serie de discusiones teóricas sobre "qué pasaría si". La investigación adicional y las pruebas duplicadas revelaron dos mecanismos defectuosos que hicieron que los hallazgos iniciales fueran insustanciales: un componente que funciona mal en el sistema GPS y un circuito de fibra óptica defectuoso. ¡Vuelves a ganar, velocidad de la luz!

Los sistemas de cronometraje del CERN son una de las cosas más complejas que he investigado. Eso se debe en parte a que no hay un solo sistema en funcionamiento en todos los aceleradores de partículas del CERN (las diferentes instalaciones tienen diferentes requisitos) y la precisión de los sistemas de temporización se reduce al nanosegundo. Mayor sorpresa: Incluso el ajuste más pequeño de una antena puede afectar la sincronización de los dispositivos de sincronización.

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Fuentes