المهندس الذي يقوم بتثبيت الجسيمات في LHC

لقد أحدث مصادم الهادرونات الكبير تحولًا في فهمنا للفيزياء منذ أن بدأ العمل في عام 2008، مما مكن الباحثين من استكشاف اللبنات الأساسية للكون. على عمق 100 متر تقريبًا تحت الحدود بين فرنسا وسويسرا، تتسارع الجسيمات على طول محيط LHC البالغ 27 كيلومترًا، وتصل تقريبًا إلى سرعة الضوء قبل أن تتصادم معًا.

غالبًا ما يوصف المصادم LHC بأنه أكبر آلة تم بناؤها على الإطلاق. وبينما يميل الفيزيائيون الذين يجرون التجارب في المنشأة إلى جذب معظم الاهتمام، فإن الأمر يتطلب مئات المهندسين والفنيين للحفاظ على تشغيل المصادم LHC. إحدى هؤلاء المهندسين هي إيرين ديجلينوشينتي، التي تعمل في مجال الإلكترونيات الرقمية في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، التي تشغل مصادم الهادرونات الكبير (LHC). بصفته عضوًا في مجموعة أجهزة قياس الشعاع في CERN، يقوم Degl’Innocenti بإنشاء إلكترونيات مخصصة تقيس موضع حزم الجسيمات أثناء انتقالها.

يقول ديجل إنوسنتي: “إنها آلة ضخمة تقوم بأشياء صعبة للغاية، لذا فإن مقدار الخبرة المطلوبة هائل”.

لا تشكل الإلكترونيات التي تعمل عليها سوى جزء صغير من العملية الإجمالية، وهو أمر تدركه ديجل إنوسنتي تمامًا عندما تنزل إلى الأنفاق الكهفية في LHC لتركيب أو اختبار معداتها. لكنها تشعر بارتياح كبير من العمل في مثل هذا المسعى المهم.

وتقول: “أنت جزء من شيء ضخم للغاية”. “إنك تشعر بأنك جزء من هذا المجتمع الكبير الذي يحاول فهم ما يحدث بالفعل في الكون، وهذا أمر رائع للغاية.”

فرص للعمل في فيزياء الطاقة العالية

نشأت ديجل إنوسينتي في إيطاليا، وأرادت أن تصبح روائية. طوال فترة المدرسة الثانوية، كانت تميل نحو العلوم الإنسانية، ولكن كان لديها ميل طبيعي للرياضيات، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى والدتها، التي تعمل معلمة علوم.

يقول ديجل إنوسنتي: “أنا شخص تحليلي للغاية، وكان هذا دائمًا جزءًا من طريقة تفكيري، لكنني لم أجد الرياضيات جذابة عندما كنت صغيرًا”. “لقد استغرق الأمر بعض الوقت لإدراك الفرص التي يمكن أن يفتحها.”

بدأت في استكشاف الإلكترونيات في عمر 17 عامًا تقريبًا لأنها بدت وكأنها الطريقة الأكثر مباشرة لترجمة طريقة تفكيرها المنطقية والرياضية إلى مهنة. وفي عام 2011، التحقت بجامعة بيزا في إيطاليا، وحصلت على درجة البكالوريوس في الهندسة الكهربائية في عام 2014 وبقيت للحصول على درجة الماجستير في نفس الموضوع.

في ذلك الوقت، لم يكن لدى ديجل إنوسنتي أي فكرة عن وجود فرص للمهندسين للعمل في فيزياء الطاقة العالية. لكنها علمت أن أحد زملائها الطلاب قد حضر تدريبًا صيفيًا في فيرميلاب، وهو مختبر فيزياء المشاركة والمسرعات في باتافيا، إلينوي. لذا تقدمت بطلب للحصول على تدريب هناك وفازت به في عام 2015. وبما أن فيرميلاب والمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية يتعاونان بشكل وثيق، فقد تمكنت من المساعدة تصميم لوحة معالجة بيانات لتجربة LHC Compact Muon Solenoid.

بعد ذلك، بحثت عن تدريب داخلي بالقرب من منزلها واكتشفت برنامج الطلاب التقني التابع لـ CERN، والذي يسمح للطلاب بالعمل في مشروع على مدار عام. أثناء عملها في مجموعة أجهزة الشعاع، صممت ديجل إنوسنتي نظام اكتساب رقمي أصبح أساسًا لأطروحة الماجستير الخاصة بها.

قياس موقف الحزم الجسيمات

بعد حصولها على درجة الماجستير في عام 2017، واصلت ديجل إنوسنتي متابعة درجة الدكتوراه في جامعة بيزا أيضًا. أجرت بحثها في قسم موضع الشعاع في CERN، والذي يقوم ببناء معدات لقياس موضع حزم الجسيمات داخل مجمع مسرع CERN. يحتوي LHC على ما يقرب من 1000 شاشة متباعدة حول حلقة التسريع. تتكون كل شاشة عادةً من زوجين من أجهزة الاستشعار المتمركزة على الجانبين المتقابلين لأنبوب التسريع، ومن الممكن قياس موضع الشعاع الأفقي والرأسي من خلال مقارنة قوة الإشارة عند كل مستشعر.

يقول ديجل إنوسنتي إن المفهوم الأساسي بسيط، لكن هذه القياسات يجب أن تكون دقيقة. تمر مجموعات من الجسيمات عبر الشاشات كل 25 نانو ثانية، ويجب تتبع موقعها في حدود 50 ميكرومتر.

“نبدأ في تطوير النظام قبل سنوات، وبعد ذلك يجب أن يعمل لمدة عقدين من الزمن.”

معظم عمليات معالجة الإشارات تتم عادةً بطريقة تناظرية، لكنها ركزت خلال رسالة الدكتوراه الخاصة بها على تحويل أكبر قدر ممكن من هذا العمل إلى المجال الرقمي، لأن الدوائر التناظرية معقدة، كما تقول. ويجب معايرتها بدقة، وتميل دقتها إلى الانحراف بمرور الوقت أو عندما تتقلب درجات الحرارة.

وتقول: “إن الحفاظ على الأمر معقد”. “يصبح الأمر صعبًا بشكل خاص عندما يكون لديك 1000 شاشة، وتقع في مسرع على عمق 100 متر تحت الأرض.”

تُفقد المعلومات عندما يتم تحويل التناظري إلى رقمي، لذلك قام Degl’Innocenti بتحليل أداء أحدث المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) وبحث تأثيرها على قياسات الموضع.

تصميم إلكترونيات مراقبة الشعاع

بعد حصولها على درجة الدكتوراه. في الهندسة الكهربائية والإلكترونية والاتصالات في عام 2021، انضمت Degl’Innocenti إلى CERN كزميل أول لما بعد الدكتوراه. وبعد مرور عامين، أصبحت موظفة بدوام كامل هناك، حيث طبقت نتائج بحثها على تطوير أجهزة جديدة. وهي تعمل حاليًا على تصميم جهاز جديد لمراقبة موضع الشعاع من أجل ترقية الإضاءة العالية إلى LHC، ومن المتوقع أن تكتمل في عام 2028. ومن المرجح أن يستخدم هذا النظام الجديد نظامًا على شريحة لإيواء معظم الإلكترونيات، بما في ذلك العديد من ADCs و مجموعة بوابة قابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA) والتي ستقوم Degl’Innocenti ببرمجتها لتشغيل خوارزمية جديدة لمعالجة الإشارات الرقمية.

إنها جزء من فريق مكون من 15 شخصًا فقط يتولى التصميم والتنفيذ والصيانة المستمرة لأجهزة مراقبة موضع الشعاع في CERN. لذا فهي تعمل بشكل وثيق مع المهندسين الذين يصممون أجهزة الاستشعار والبرمجيات لتلك الأجهزة ومع الفيزيائيين الذين يقومون بتشغيل المسرع وتحديد متطلبات الأجهزة.

يقول ديجل إنوسنتي: “نبدأ في تطوير النظام قبل سنوات، ومن ثم يجب أن يعمل لمدة عقدين من الزمن”.

فرص في فيزياء الطاقة العالية

يقول ديجل إنوسنتي إن فيزياء الطاقة العالية لديها مجموعة متنوعة من الفرص المثيرة للاهتمام للمهندسين، بما في ذلك الإلكترونيات عالية الدقة، وأنظمة الفراغ، وعلم التبريد الشديد.

وتقول: “الآلات كبيرة جدًا ومعقدة للغاية، لكننا ننظر إلى أشياء صغيرة جدًا”. “هناك الكثير من الأرقام الكبيرة المعنية سواء على نطاق واسع أو أيضًا عندما يتعلق الأمر بالدقة على نطاق صغير.”

يقول ديجل إنوسنتي إن مهارات تصميم FPGA مطلوبة بشكل كبير في جميع أنواع المرافق البحثية، كما أصبحت الأنظمة المدمجة أكثر أهمية أيضًا. وتقول إن المفتاح هو الحفاظ على عقل متفتح بشأن مكان تطبيق معرفتك الهندسية. لم تعتقد أبدًا أنه ستكون هناك فرص للأشخاص الذين يتمتعون بمهاراتها في CERN.

وتنصح قائلة: “تحقق دائمًا من التقنيات المستخدمة”. “لا تقيد نفسك بافتراض أن العمل في مكان ما لن يكون ممكنا.”

تظهر هذه المقالة في العدد المطبوع لشهر أغسطس 2024 باسم “Irene Degl’Innocenti”.