Como funciona IceCube I. Los modulos opticos (DOMs)

Una de las dificultades que tiene escribir entradas técnicas a nivel divulgativo es que enseguida te das cuenta de que hay demasiadas cosas que no son evidentes. Cuando explicas las cosas a un colega de profesión, existe un lenguaje común que permite a veces sintetizar en una sola palabra conceptos que se tarda bastante en explicar a un profano. No obstante, me he comprometido a intentar explicar las investigaciones que aquí llevamos a cabo de la forma lo mas accesible posible para todo el mundo, al menos dentro de mis propias limitaciones. Corro el riesgo de que en cualquier caso, lo que cuente siga resultando demasiado técnico para el profano, y demasiado trivial para el experto.

Recientemente IceCube ha presentado un resultado muy interesante relativo a la detección de dos neutrinos de muy alta energía. Y hemos podido ver unas imágenes que recrean esos sucesos. Pero ¿cómo se llega a obtener esa información a partir del choque fortuito de un neutrino en el hielo? Vamos a intentar abrirle las tripas a IceCube para entender mejor todo ese proceso.

El elemento principal en IceCube es lo que llamamos DOM (Digital Optical Module) o modulo óptico digital. Hoy en ida utilizamos ordenadores para casi todo, son herramientas muy útiles, pero los ordenadores sólo saben interpretar señales eléctricas, así que si queremos que los ordenadores nos ayuden a procesar la información del mundo natural, necesitamos convertir esa información en una corriente de electrones. Ya comentamos que IceCube lo que intenta es detectar los fugaces destellos luminosos que se producen en el hielo cuando un neutrino choca allí. Para convertir esos destellos en una señal eléctrica utilizamos lo que se conoce como fotomultiplicador (PMT). Estos dispositivos actúan como ojos electrónicos. Cuando un fotón (partícula de luz) choca con una lámina delgada (fotocátodo) puede arrancar un electrón. Esto se llama efecto fotoeléctrico y lo describió Einstein hace 100 años. Fue la constatación de que la luz se puede considerar también como un flujo de partículas. Si colocamos otra lamina detrás del fotocátodo y aplicamos un voltaje, el electrón arrancado se acelera y al chocar con la segunda lamina, puede producir 4 o 5 electrones extra. Si repetimos el proceso unas cuantas veces (aplicando en total entre 1000V y 2000V), al final del todo, en el ánodo, se pueden llegar a recoger varios millones de electrones en unos pocos nanosegundos. Eso constituye una pequeña corriente eléctrica. Si en el fotocátodo inciden muchos fotones, en lugar de sólo uno, se generará una corriente todavía mayor. En realidad, siempre y cuando no saturemos el sistema, esa relación es lineal, y es lo que permite establecer una relación entre la carga recogida en el ánodo y la luz que ha llegado al cátodo. Y esa cantidad de luz es también proporcional a la energía depositada por las partículas. De esta forma es posible conocer, con un cierto margen de error, la energía de la partícula que ha atravesado el hielo. Este es un método muy extendido en la física experimental, se utiliza en muchos otros experimentos. Sabemos también que los ordenadores procesan información digital, así que tenemos que convertir esas señales eléctricas en números. Ese proceso se llama digitalización. En el proyecto AMANDA, predecesor de Icecube, la señal de los PMTs se enviaba por cable a la superficie antes de ser digitalizada, con lo cual la información se degradaba por el camino. Para Icecube, se decidió incluir toda la electrónica necesaria para la digitalización al lado del propio PMT y enviar a la superficie la información en formato digital. Pues bien, toda esa electrónica, junto con el PMT, metidos en una esfera transparente (de 13mm de grosor) para protegerlos de las altas presiones, es lo que constituye un modulo óptico o DOM. En cada uno de los 80 agujeros de Icecube hay 60 DOMs separados unos 17m. Cada dos módulos, comparten un par trenzado, un cable por el que se hace llegar la alimentación necesaria para toda esa electrónica y el propio PMT y por el que los DOMs se comunican con la superficie. Hay otros 6 agujeros en los que los DOM están distribuidos más cerca unos de otros, es lo que se conoce como DEEPCORE, que es una parte de IceCube sensible a neutrinos de más baja energía que el resto. Además, encima de cada cadena de sensores, hay un par de tanques de agua que permiten detectar cascadas de partículas en la superficie, es lo que se conoce como ICETOP. En total, casi 5500 DOMs. De hecho, actualmente, hay exactamente 5400 funcionando.

¿Qué hay dentro de un DOM?

A parte del fotomultiplicador (Hamamatsu R7081-02 de 25cm de diámetro), hay varias tarjetas de circuito impreso con unidades de procesamiento (como un pequeño ordenador), chips que digitalizan la señal, etc. Dado que estos módulos pueden captar desde 1 único fotón hasta miles de ellos a la vez, es difícil que un único conversor mantenga la suficiente sensibilidad en todo ese rango. Lo que se hace es dividir la señal del ánodo en varias líneas y a cada una de ellas se le da una ganancia diferente. La vía con más ganancia será sensible a señales con pocos fotones, pero se saturará cuando haya muchos, en cambio, la línea con menor ganancia no tendrá mucha sensibilidad para señales de pocos fotones, pero responderá bien para señales grandes. Los chips digitalizadores están además duplicados, para que mientras uno está procesando una señal, sea posible responder a otra si llega en ese mismo instante. En términos más técnicos, esto permite reducir el tiempo muerto del sistema.
He comentado que la carga generada por un fotón produce una señal que dura unos pocos nanosegundos, así que necesitamos sistemas que respondan con esa rapidez. Digitalizar esas señales significa que hay un dispositivo que cada nanosegundo ‘mira’ el valor del voltaje a la salida del ánodo y ‘apunta’ ese numero en una zona de memoria. ¿Qué significa eso? Si tuviésemos que estar digitalizando de manera continua con esa precisión, estaríamos tomando mil millones de muestras por segundo, es decir, aproximadamente 1 Gbyte/s (asumiendo que el valor de voltaje se codifica con un único byte, 256 posibles valores). Eso daría unos 100Tb*5000DOMs=500Pb al día! que es una cantidad desorbitada, incluso para el LHC. Por eso, en todos los experimentos se recurre a una técnica de disparo o Trigger de manera que sólo se digitalice aquello que puede ser potencialmente interesante. Lo que se hace es poner a la salida del ánodo un dispositivo de umbral. La mayor parte del tiempo, la salida del ánodo es nula (no hay luz), y este dispositivo, esta ‘callado’, no produce tampoco ninguna señal. Si en el ánodo el voltaje supera un cierto valor (al llegar algo de luz al cátodo), este dispositivo de umbral generara una señal que despierta al resto del sistema. Solo hace falta un pequeño detalle, y es que hay que retrasar esa señal del ánodo para que la señal del generador de umbral llegue a tiempo de despertar el resto de la electrónica. Ese retraso se consigue con otra placa en la que la señal simplemente viaja durante el tiempo necesario (75ns) antes de entrar en los digitalizadores.

Para quienes estén interesados en detalles mas técnicos, se utilizan 2 ATWD (Analog Transient Waveform Digitizers) de 4 canales, multiplexados. Es decir, mientras el uno convierte, el otro está listo para recibir otra señal. Tres de los 4 canales digitalizan la señal con 3 ganancias diferentes (x16, x2 y x0.25). El cuarto canal es para uso interno (calibraciones, etc). La frecuencia de muestreo son 300 MS/s y cada ATWD utiliza 128 conversores Wilkinson de 10-bit, así que cada canal genera 128 muestras de 2 bytes que cubren unos 400ns. Además hay otro conversor analógico digital ADC, que cubre hasta 6.4micros en este caso digitalizando a 40Ms/s también con 10 bits. Como ‘cerebros’ de la placa principal se usa una FPGA (Altera EPXA-4), que se encarga del procesamiento de las señales digitalizadas y una CPU que se encarga del envió de información. Ademas hay varias tarjetas de memoria SDRAM y flash.

Dejando a un lado los detalles técnicos, lo destacable es que por cada ‘suceso’, cada DOM puede generar varios kbytes de datos. Como veremos ahora, no siempre se digitaliza todo.

Bien, he dicho que un PMT es como un ojo electrónico. Si cerráis los ojos un momento, veréis estrellitas. Pues a los PMTs les pasa algo parecido, aunque no haya nada de luz, también ‘ven’ estrellitas, es decir, de manera espontanea se liberan electrones del cátodo (por agitación térmica) que dan lugar a una señal en el ánodo idéntica a la de un fotón. Esto genera un problema. Queremos ser sensibles a la menor cantidad de luz posible, por eso el dispositivo de umbral se fija a valores que permiten ver incluso la carga generada por un único fotón. Pero eso significa que el sistema es también sensible a este ‘ruido’. Por termino medio, los PMTs suelen generar unos 500 de estos pulsos falsos por segundo. Si Icecube decidiese registrarlos todos, tendríamos 5400*500=2.7MHz, casi 3 millones de sucesos por segundo, algo que no podría manejar. ¿Solución? Cada DOM está físicamente conectado a sus vecinos inmediatamente por arriba y abajo y la electrónica de cada DOM se configura para que los digitalizadores guarden los datos sólo cuando se recibe una señal de esos vecinos en una ventana de tiempo pequeña, es lo que se llama modo de coincidencia local (LC). La probabilidad de que 2 DOMs cercanos generen un pulso falso a la vez es pequeña, mientras que en un suceso real en que una partícula ‘ilumina’ el hielo, la luz sí llega más o menos a la vez a 2 DOMs cercanos. De esta manera se elimina este problema de los PMTs.

Además de todo esto, hay otra placa en cada DOM con una serie de dispositivos emisores de luz (LED) que se puede programar para emitir destellos controlados. Esto permite calibrar la respuesta de cada DOM y conocer, por ejemplo la calidad del hielo a cada profundidad. Esta parte es importante como veremos en otro momento.

Finalmente, cada DOM tiene una serie de ‘relojes’ (osciladores) para sincronizar todo el proceso de digitalización y registrar con precisión la hora a la que se produce cada suceso. Pero cada DOM tiene sus propios relojes, que pueden ir desfasándose con el tiempo. Por eso, desde la superficie se envían regularmente señales que permiten sincronizar esa hora con un reloj central.

Como veis, cada DOM es un dispositivo complicado, y una vez metido en el hielo, no hay posibilidad de repararlos. Por ese motivo, cada componente ha sido testado previamente de manera exhaustiva. No sólo ante cambios bruscos de temperatura, sino también golpes, ya que todo tiene que ser volado en avión hasta aquí, el Polo Sur. Aunque la funcionalidad de los componentes es común a muchos experimentos de física de partículas y existe electrónica disponible, la necesidad de encajar todo en un tamaño reducido hace que los DOMs tuvieran que ser diseñados para IceCube específicamente. El ensamblaje de las placas y los PMTs tuvo lugar en tres lugares diferentes, Madison, Berlín y Uppsala. Se estima que la tasa de fallos debe ser inferior al 5% en 10 años. Actualmente, la construcción está ya finalizada y más del 99% de los DOMs funcionan correctamente. En realidad la fase más crítica, como ya comenté en la anterior entrada, fue cuando se colocaron y la columna de agua alrededor se congeló de nuevo.

Resumiendo un poco, cada DOM consta de un PMT y algo de electrónica para procesar las señales. Esta electrónica incluye, una parte para procesamiento (FPGA y CPU), una parte para comunicación con la superficie, una parte para alimentar cada dispositivo a partir de los 90V que aporta el cable de conexión y dar también la alta tensión al PMT, una parte para digitalizar la señal (lo que implica discriminadores de umbral, amplificadores, un modulo de retraso, y varios digitalizadores), relojes internos para sincronizar todo el proceso, una parte para comunicarse con los módulos vecinos, y una placa dedicada para poder lanzar destellos luminosos de calibración. Y a pesar de lo complicado que pueda parecer todo esto, estamos sólo al principio. El DOM es la unidad elemental en IceCube, lo que permite convertir luz en una señal eléctrica, pero cada DOM, a pesar de su pequeña unidad de procesamiento interna, no tiene ni idea de lo que ocurre en otras partes del detector (salvo de sus inmediatos vecinos). Es imprescindible que ‘alguien’ organice todos esos datos para poder extraer información útil. Y eso es precisamente lo que tiene lugar en el ICL (IceCube Laboratory). Si los DOMs son los ojos de IceCube y los cables que los conectan con la superficie son los nervios ópticos, el ICL y las machinas que allí hay son el cerebro. Esa es la siguiente parte, pero como esta entrada se ha alargado bastante, lo contare el próximo día.

Espero que los expertos hayáis encontrado algo de información que no conocíais. Si queréis profundizar, os dejo este articulo que describe en detalle todo esto (http://arxiv.org/abs/0810.4930). Y los profanos, no os asustéis demasiado, basta con que os empiecen a sonar cosas como los fotomultiplicadores y sobre todo, el proceso de digitalización y de disparo (trigger), porque son elementos comunes a todos los experimentos de partículas. Si entendéis mínimamente esto, podéis entender cualquier otro experimento! Por cierto, ahora podéis entender un poco más la imagen que poníamos al principio. Cada punto blanco representa un DOM, y lo que se hace en esa imagen es pintar una esfera de color por cada DOM que ha visto algo de luz, más grande cuanta más carga ha recogido el PMT correspondiente. Y aunque no entendáis mucho más, lo que os resultará evidente es que ahí en medio, ha ocurrido algo que ha producido mucha luz. El próximo día veremos qué.

Y si os han surgido preguntas, no dudeis en plantearlas, si puedo las respondere.