Como o CERN sincroniza dispositivos de temporização?

O Grande Colisor de Hádrons mede 27 quilômetros de circunferência. É o maior acelerador de partículas do mundo e custou mais de US$ 10 bilhões para ser construído. Mas é apenas uma das muitas peças incríveis de tecnologia que os cientistas do CERN usam em suas pesquisas de física. O CERN opera vários aceleradores lineares e circulares e outras instalações, como um separador de massa e um desacelerador antipróton, para realizar pesquisas em física. Em alguns casos, os testes no CERN são realizados a grandes distâncias: Neutrinos são enviados regularmente do CERN para o Laboratório Nacional Gran Sasso da Itália (LNGS) a 724 quilômetros de distância.

Quando os aceleradores de partículas transmitem matéria por grandes distâncias na velocidade da luz, eles naturalmente precisam ser cronometrados com precisão quase perfeita. Apesar da distância mencionada acima, a velocidade desses neutrinos pode ser medida em 10 nanossegundos. Como o CERN gerencia esse tipo de precisão? Eles usam GPS, relógios atômicos e muitos cabos ópticos para conectar em rede uma vasta gama de tecnologia.

Os cientistas do CERN escreveram artigos detalhados e complexos explicando o funcionamento interno de seus sistemas de temporização. Frequências de sinal, sistemas de medição e equações de precisão são apenas alguns dos elementos nos relatórios do CERN que os cientistas consomem e o resto de nós franzimos as sobrancelhas, incluindo um que detalha a calibração do link de tempo GPS entre o CERN e o LNGS .

Aqui está a versão curta: Ao medir a velocidade dos neutrinos viajando do CERN para o Laboratório Nacional Gran Sasso (LNGS), os cientistas precisam sincronizar com precisão seus instrumentos. Assim, as medições de GPS de um pulso por segundo (PPS) são carimbadas com um sistema de medição chamado CTRI, que é baseado no relógio atômico vinculado a ambos os laboratórios e emparelhado a um sistema de GPS. Esses timestamps podem então ser comparados entre os dois locais, e a diferença de tempo revela o tempo de voo dos neutrinos. Parece bem simples, certo?

Bem, as configurações ainda exigem todos os tipos de testes para garantir a precisão e as equações para explicar as inevitáveis ​​margens de erro. Os receptores que o CERN utiliza na comunicação com o LNGS são certificados pelo Swiss Federal OfficeofMetrology . Por estarem lidando com números tão precisos, até mesmo a posição de uma antena e os cabos usados ​​podem atrapalhar os resultados.

O Large Hadron Collider usa uma tecnologia chamada WorldFIP para sincronizar sistemas em 10 nanossegundos. O WorldFIP é um fieldbus, uma tecnologia usada para conectar em rede um grande número de sistemas - algo que o LHC obviamente precisa. Como os sistemas de temporização usados ​​para coordenar o rastreamento de neutrinos entre o CERN e o LNGS, o WorldFIP está ligado a um sistema GPS. Os dados desse sistema são retransmitidos para os equipamentos do Grande Colisor de Hádrons para manter tudo sincronizado com o tempo universal.

Com um relógio mestre baseado em oscilador, o CERN pode fornecer ao seu equipamento dados de tempo com uma precisão de um nanossegundo. Uma das tarefas mais desafiadoras do sistema WorldFIP é manter 1.800 conversores de energia sincronizados dentro de um milissegundo. Ele também serve para sincronizar o monitoramento de radiação, posicionamento do ímã, criogenia e outros sistemas no LHC.

É claro que nem todos os sistemas do Grande Colisor de Hádrons precisam ser tão precisos. Alguns têm espaço de manobra de dezenas ou mesmo centenas de milissegundos. Considerando que a instalação é tão grande e repleta de algumas das tecnologias mais complexas do mundo, isso ainda é bastante impressionante.

Opa!

Quando o CERN anunciou em setembro de 2011 que poderia ter encontrado evidências de neutrinos se movendo mais rápido que a velocidade da luz, abalou o mundo científico e desencadeou uma enxurrada de discussões teóricas "e se". Investigações adicionais e testes duplicados revelaram dois mecanismos defeituosos que tornaram as descobertas iniciais insubstanciais: um componente com defeito no sistema GPS e um circuito de fibra óptica defeituoso. Você ganha de novo, velocidade da luz!

Os sistemas de temporização do CERN são uma das coisas mais complexas que pesquisei. Isso ocorre em parte porque não há um único sistema em funcionamento em todos os muitos aceleradores de partículas do CERN - diferentes instalações têm diferentes requisitos - e a precisão dos sistemas de temporização se resume a nanossegundos. Maior surpresa: Mesmo o menor ajuste de uma antena pode afetar a sincronização dos dispositivos de temporização.

Artigos relacionados

Origens