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El CERN: Ciencia, Tecnología e Innovación
Mar Capeáns Garrido
CERN (European Laboratory for Particle Physics)
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El CERN: Ciencia, Tecnología e Innovación
• Física de Partículas
• Tecnologías e innovación
• Ciencia collaborativa
• Educación
Mar Capeans, CERN 2 FP Innova 2018
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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
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FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 4
protón + 10-15 m
electrón – 10-18 m
Átomo 10-10 m
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Modelo Estándar de Partículas
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Modelo Estándar de Partículas
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 7
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Composición del Universo
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Materia 5%
Materia Oscura
24% Energía Oscura
71%
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FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 9
Materia y Antimateria
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Aceleradores Microscopios Telescopios (radio y ópticos) Prismáticos
EXPLORAR REPRODUCIR
Buscando Respuestas
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El LHC, la máquina del tiempo
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LHC@CERN Hoy
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FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 14
• 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
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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
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 17
Física
Interaccióncon los
detectores
Respuestade los
detectores
Datos
Respuestadel
detector
Análisis de física
Resultados
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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)
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 18
50’s – 70’s
LHC
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Acelerador de Partículas
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Conocimiento
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 22
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
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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
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 23
10 GJoule flying 700 km/h
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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
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700 MJ melt one ton of copper
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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)
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Detector ATLAS Altura: 25 m Largo: 46 m Peso: 7000 T
3000 km de cables
CATEDRAL de SANTIAGO Altura: 76 m Largo: 96 m
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FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 29
6.2 m
2.1 m
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Detectores de Silicio
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 31
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%
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FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 32
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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
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 33
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
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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
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 34
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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
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Electrónica de lectura: señales y datos
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 36
Energía
Luz
Luz
Corriente
Corriente
Voltage
Voltage
Bits
Bits
Luz
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Datos y Filtros
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 37
• 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
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GRID: almacenado, procesado y distribución
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 38
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¿Físicos o Tecnólogos?
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 39
FCC
CLIC
HL-LHC
Hoy
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Agresiva I+D en rupturas tecnológicas High Luminosity LHC (HL-LHC)
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 40
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Robótica
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 41
De ChristophRoser
Robótica @ CERN
Garantizar la seguridad del personal Mejorar la disponibilidad de los aceleradores del CERN
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Robótica
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 42
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TYPES OF INTERVENTIONS
M. Di Castro/CERN
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Impresión 3D Componentes multifuncionales, prototipos 1:1, reparaciones in situ, geometrías complicadas, producciones pequeñas…
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 44
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
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Cuando la industria va mas rápido
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 45
G.Borghello/CERN
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Computación del futuro
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 46
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
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¿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
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 47
Maite Barroso/CERN
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Ciencia colaborativa
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 48
Experimento Países Inst it uciones Cient íficos
ALICE 37 154 ~1500
ATLAS 38 182 ~ 3000
CMS 46 182 ~ 3500
LHCb 16 69 ~ 800
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Ciencia colaborativa
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 49
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
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Transferencia de conocimiento y tecnología
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 50
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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.
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 51
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Vector de formación y de desarrollo profesional Multidisciplinario y multicultural…
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 52
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Programas de entrada para Técnicos
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 53
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
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El CERN: Ciencia, Tecnología e Innovación
FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 54
• 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
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FP Innova 2018 Mar Capeans, CERN 55