Los astrofísicos e ingenieros de la NASA están adaptando los detectores utilizados por los supercolisionadores terrestres y creándolos de la misma manera que las compañías de electrónica producen todos los dispositivos de consumo modernos, incluidos los teléfonos celulares y las computadoras portátiles.

La nueva tecnología de detector de silicio basada en píxeles podría usarse en observatorios de rayos gamma de próxima generación para detectar fotones altamente energéticos que emanan de los eventos más poderosos del universo, incluidas galaxias en colisión y agujeros negros. Los nuevos detectores detectarían estos fotones como una cámara digital y usarían mucha menos energía que los detectores espaciales actuales.

Los supercolisionadores subterráneos, que tienen experimentos que emplean los mismos detectores de tipo píxel de silicio, aceleran protones e iones a una velocidad cercana a la de la luz en direcciones opuestas a energías muy altas. Sus colisiones están diseñadas para recrear las condiciones que gobernaron el universo después del Big Bang. Aunque es altamente eficiente, la tecnología actual de píxeles de silicio requiere mucha energía, lo que sería un desafío si se usa en el espacio donde la energía normalmente se deriva de los paneles solares.

Entra en AstroPix

«El desafío es encontrar la mejor manera de reducir la cantidad de energía que el píxel necesita usar, ya que los instrumentos en tierra tienen acceso a toda la energía que desean», dijo Regina Caputo, astrofísica del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y miembro del programa Nancy Grace Roman Technology Fellowship de la NASA. Ella es la investigadora principal del esfuerzo de desarrollo de detectores de Goddard llamado AstroPix.

Caputo y su equipo, que incluye al astrofísico de Goddard Jeremy Perkins y a la investigadora de postbachillerato Isabella Brewer, inicialmente comenzaron su trabajo con el apoyo del programa de Investigación y Desarrollo Interno (IRAD) de Goddard. Desde entonces, el equipo ha obtenido el apoyo al desarrollo tecnológico del programa de Investigación y Análisis de Astrofísica (APRA) de la NASA.

Al igual que la comunidad de física de partículas, Caputo está experimentando con un proceso de fabricación llamado semiconductor complementario de óxido metálico, o CMOS, que el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA afinó para aplicaciones de vuelos espaciales. La industria de los semiconductores utiliza esta técnica para fabricar dispositivos electrónicos modernos. «Este proceso nos permite no solo recolectar energía de las partículas que ingresan al detector, sino también amplificar sus señales en el mismo material del detector. Esto hace que estos detectores sean menos costosos y ruidosos», dijo Caputo.

Con el premio APRA, Caputo y su equipo están diseñando nuevos detectores de píxeles optimizados para su uso potencial en el espacio. Han enviado su primera versión de AstroPix a una fundición de semiconductores, las mismas instalaciones que fabrican chips de computadora, para su fabricación.

«Esperamos recuperar AstroPix este verano para las pruebas», dijo. «Esto es progreso».

Ventajas del detector

La ventaja de AstroPix se ilustra mejor comparándola con los detectores que vuelan en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi. Fermi también utiliza detectores basados en silicio, pero sus sensores están compuestos por tiras de silicio que se ensamblan en capas. Estas capas se cruzan perpendicularmente para crear una cuadrícula que identifica las ubicaciones de las partículas de alta energía creadas cuando un rayo gamma golpea un detector.

Con AstroPix, sin embargo, las partículas se registrarían una vez que entraran en contacto con un solo píxel en lugar de capas de tiras de silicio, lo que le daría al detector la capacidad de crear un mapa de las trayectorias de las partículas con menos capas.

«La tecnología anterior de detección de tiras de silicio pasó por una serie de procesos para convertir las cargas en señales digitales, mientras que la nueva tecnología basada en píxeles puede hacerlos todos a la vez, ya que la lectura está integrada con cada píxel», dijo Caputo. De esta manera, el detector de píxeles reduciría sus necesidades de potencia para funcionar mejor en el espacio.

El equipo está probando el detector de píxeles en el laboratorio de astrofísica en Goddard utilizando fuentes radiactivas, como el cadmio, para que el silicio pixelado lo detecte. Las pruebas ayudan a determinar si la resolución de energía del detector de píxeles es igual o mejor que la de los detectores de tiras de silicio. «Estas fuentes pueden reproducir parcialmente los tipos de radiación que se encuentran en el espacio, aunque a una dosis mucho más baja», dijo Brewer.

Si se demuestra, las misiones futuras pueden beneficiarse

El equipo de AstroPiX debe probar la efectividad de estos detectores de píxeles de silicio antes de que la tecnología pueda incorporarse a una futura misión de rayos gamma, dijo Perkins. De hecho, además de mejorar la sensibilidad de posición, la resolución de energía y el menor consumo de energía, la tecnología de detector de píxeles sería fácilmente la mejor opción para cualquier misión de detección de partículas porque son fáciles de producir y económicas, especialmente en comparación con los detectores de tiras de silicio.

Para obtener más noticias sobre la tecnología Goddard, visite: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/summer_2020_final_web_version.pdf

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