哥倫比亞大學工程師打造「耐輻射晶片」 助力大型強子對撞機解開宇宙奧秘

在全球最極端的科學環境——大型強子對撞機（LHC）中，普通電子元件幾乎會在瞬間失效。但哥倫比亞大學的工程團隊成功開發出特殊微晶片，不僅能承受對撞機內的高強度輻射，更在探索宇宙基本粒子的研究中扮演關鍵角色。

這些特製晶片能將粒子碰撞產生的微弱電訊號數位化，協助物理學家從數十億次碰撞事件中篩選出希格斯玻色子等關鍵證據。這個結合生存力、精密技術與人類智慧的故事，正在科學最前沿持續上演。

位於瑞士與法國邊境地下、全長27公里的環形隧道內，LHC能將粒子加速至接近光速後使其對撞。這些碰撞產生的微小粒子漩渦與能量，正是解開物質基本構成謎題的重要線索。然而隨之而來的巨量輻射，卻足以使多數電子裝置的邏輯電路發生錯亂。

「我們測試過市售標準元件，它們根本撐不住——輻射強度實在太高了。」參與該專案的哥倫比亞工程學博士生徐睿（Ray）回憶道。由於抗輻射晶片的市場規模太小，商業廠商缺乏投入動機，這項技術突破的重任便落到學界肩上。

在哥倫比亞大學電機工程系教授Peter Kinget領導下，團隊運用CERN認證的抗輻射半導體製程，結合創新電路設計技巧：從元件選型、架構規劃到即時錯誤修正系統，最終開發出能穩定運作超過十年的耐輻射晶片。相關研究成果已發表於《IEEE固態電路學會開放期刊》。

這些被稱為「類比數位轉換器」（ADC）的裝置，專門用於捕捉CERN偵測器內粒子碰撞產生的電訊號，並將其轉換為可分析的數位資料。在ATLAS偵測器中，超低溫液態氬熱量計會記錄每個透過粒子的電子軌跡，而哥倫比亞的ADC晶片則能將這些精密訊號轉換為現有元件無法可靠記錄的數位資料。

目前已有兩款哥倫比亞設計的ADC晶片將整合至ATLAS實驗的升級系統中：「觸發ADC」已於2022年在CERN投入運作，每秒能過濾約10億次碰撞事件，即時篩選出最具科研價值的資料；新開發的「資料擷取ADC」則剛透過最終測試，將在下次LHC升級時安裝，協助物理學家深入研究希格斯玻色子等仍充滿謎團的基本粒子特性。

這項由美國國家科學基金會和能源部資助的計畫，展現了基礎物理學家與工程師直接合作的豐碩成果。哥倫比亞大學物理系教授John Parsons強調：「開發尖端儀器裝置，對推進宇宙基礎研究至關重要。」而跨校際合作模式——包括哥倫比亞大學、德州大學奧斯汀分校的工程團隊，與兩校物理學者的密切配合，更為未來科學突破開創了嶄新模式。