prime idee per esperimenti al superlhc

CNS122 Giugno 2004

Carlo CivininiINFN - Firenze

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Prime idee per esperimenti al SuperLHC

Carlo CivininiINFN-Firenze

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Parlero’ di...

• Upgrade di LHC• Fisica a SLHC• Esperimenti

– Tracciatore– Calorimetria– Sistema per muoni– Trigger e DAQ– Elettronica

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Upgrade Fase 0

Numero di bunch nb2808 2808

Spaziatura bunch Δt 25ns 25ns

Protoni/bunch Nb1.1 1011 1.7 1011

Energia E 7 TeV 7.45 TeV

lunghezza bunch (rms)

σz7.55 cm 7.55 cm

Beta a IP β* 0.55 m 0.5 m

angolo a IP (rms) θc285 μrad 315 μrad

Luminosita’ (max.) L 1034 cm-2s-

1

2.6 1034 cm-2s-

1

Nominale Fase 0

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Upgrade Fase 1


Spaziatura bunch Δt 25ns 12.5ns




σz7.55 cm 3.78 cm

Beta a IP β* 0.55 m 0.25 m

angolo a IP (rms) θc285μrad 445 μrad

Luminosita’ (max) L 1034 cm-2s-

1

9.6 1034 cm-2s-

1

Nominale Fase 1

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Upgrade Fase 1 (superbunch option)


Spaziatura bunch Δt 25 ns ---




σz7.55 cm 7500 cm

Beta a IP β* 0.55 m 0.25 m

angolo a IP (rms) θc285μrad 1000 μrad

Luminosita’ (max) L 1034 cm-2s-

1

9.0 1034 cm-

2s-1

Nominale Fase 1

…evidenti problemi per quanto riguarda elettronica e trigger degli esperimenti

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Upgrade Fase 2• Equipaggiare SPS con magneti superconduttori

per iniettare ad 1 TeV– Fattore due in luminosita’– Primo passo per l’energy upgrade

• Installazione di nuovi dipoli a 15T– R&D per magneti– Macchina per 25 TeV nel 2020

• Macchina costosa e difficile da realizzare, ma punto di partenza per il futuro

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Luminosita’ integrata

La luminosita’ integrata dipende, chiaramente, dalle prestazioni della macchina in termini di Luminosita’ massima (L0), ma anche dalla velocita’ di riempimento, accelerazione, tuning dei fasci (turnaround).

Fill lifetime Turnaround (h) T run (h) Lint fb-1/y

15h, L0=1034 1 5 122

15h, L0=1034 6 12 78

6.5h, L0=4.5 1034 1 3 524

6.5h, L0=4.5 1034 6 6 286

Integrale da 0 a Trun

Numero di fill per anno

per un anno

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‘Physics Case’ per SLHC

• L’ ottimizzare della ricerca ad SLHC dipendera’ dal tipo di EWSB e dalla nuova fisica eventualmente scoperte da LHC (o Tevatron, …)

• In generale ci si aspettano:– Miglioramenti sulla misura dei parametri di Higgs/SM e

nuova fisica (se scoperte)

– Estensione della possibilita’ di scoperta ad alte masse

– Estensione della sensibilita’ per processi rari

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Un possibile menu…• Fisica Elettrodebole

– Produzione di 3 o piu’ bosoni di gauge (accoppiamenti 3,4)– Decadimenti rari del top

• Higgs– Decadimenti rari della Higgs (H Z ; H )– Misura degli accoppiamenti ai fermioni o bosoni– Bosoni di Higgs pesanti del MSSM– Autoaccoppiamento del campo di Higgs

• Supersimmetria• Extra dimensions• W+

LW+L

• Nuovi bosoni di gauge• Compositeness

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SupersimmetriaCMS

tan=10

5 contours

SLHC puo’ estendere la regione di scoperta di circa 0.5 TeV:~2.5 TeV 3 TeV

Queste ricerche coinvolgonoET jet/leptoni e missing ET

Quindi non sono molto compromesse dal pile-up di SLHC

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Un riassunto sulla fisica

LHC SLHC VLHC VLHC LC LC

14 TeV 14 TeV 28 TeV 40 TeV 100 TeV

0.8TeV 5 TeV

100 fb-1 1000fb-1 100 fb-1 100 fb-1 100 fb-1 100 fb-1 1000fb-1

Squark 2.5 TeV 3 TeV 4 TeV 5 TeV 20 TeV 0.4 TeV 2.5 TeV

WLWL 2 4 4.5 7 18 90

Z’ 5 TeV 6 TeV 8 TeV 11 TeV 35 TeV 8* TeV 30* TeV

Extra dim =2

9 TeV 12 TeV 15 TeV 25 TeV 65 TeV 5-8.5* 30-55*

q* 6.5 TeV 7.5 TeV 9.5 TeV 13 TeV 75 TeV 0.8 TeV 5 TeV

Λcomposit 30 TeV 40 TeV 40 TeV 50 TeV 100 TeV

100 TeV

400 TeV

TGC 0.0014 0.0006 0.0008 0.0003 0.0004 0.00008

* Misure indirette

Valori espressi in TeV (eccetto WLWL) La luminosita’ corrisponde ad un anno di presa dati per un esperimento

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Tempistica…

Possibile upgrade

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Upgrade dei rivelatori per SLHC

•Per sfruttare pienamente le potenzialita’ di SLHC agli esperimenti viene chiesto di:

•Essere capaci di ‘triggerare’ sui canali gia’ noti e su tipologie che sono collegate a possibili scoperte•Avere, in molti casi, prestazioni simili a quelle ottenute alla luminosita’ di 1034 cm-2s-1

•In poche parole: •Gli upgrade saranno ‘semplici’ per canali che coinvolgono: jets di alta energia, , ET

miss elevata•Ma molto impegnativi per sfruttare completamente l’alta luminosita’ in caso di: e ID, b-tag, -tag, forward jet tagging (?)

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Tracciatori interni

• L’unica cosa certa e’ che Atlas e CMS dovranno rifare (quasi) da zero i loro tracciatori

• I vincoli per progettare un nuovo tracciatore vengono da:– Occupazione– Danneggiamento da radiazione– Clock SLHC (12.5ns)– Trigger di primo livello– Budget– Tempi e persone a disposizione

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Un nuovo tracciatore• Come approssimazione zero se vogliamo prestazioni simili

ai tracciatori attuali occorrera’ utilizzare lo stesso volume con un numero di punti per traccia e risoluzione spaziale paragonabili.

1. Per R>60 cm si puo’ pensare di utilizzare Si-microstrip portando al limite la tecnologia attuale per le resistenza alle radiazioni

2. Per R<20 cm molto lavoro di R&D per far funzionare un rivelatore a Si (pixel come unica possibilita’)

3. Nella regione intermedia si dovranno utilizzare Si-pixel con dimensioni dei pixel (o mini-strip) tali da ottimizzare il rapporto costo/prestazioni

• Tracciatore a Livello 1 di trigger???? pesanti richieste sull’architettura

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Modulo Si-microstrip CMS

Kapton Bias Circuit

Carbon Fiber/Graphite Frame Silicon Sensors

Front-End Hybrid

Pitch Adapter

Kapton cable

Pins

Now incorporated with the hybrid.

APV and control chips

Semplificare

+Test

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Modulo tipo ‘Straw man’ (CMS)

•Bump bonding commerciale: •100/200m pitch

•2 front-end chip per die• output nel mezzo

•Lunghezza strip •~1/5 attuale

•Nessun pitch adapter

•Ottimizzazione per permettere un assemblaggio di tipo industriale

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Tipo di sensoreMagnetic Czochralski (ROSE, RD50)

For ∫L.dt = 2500 fb-1

R (cm) Hadrons [cm-2]

Dose [kGy]

22 8 x 1014 350

75 1.5 x 1014 35

115 1 x 1014 9.3

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Architettura• Lettura del sensore

– Analogica miglior trattamento del segnale, cmn– Digitale molto piu’ semplice

• Trasmissione dati– Ottica analogica industria?– Ottica digitale standard

• Digitalizzazione on-board– Potenza disponibile, tempi

• Controlli– Uso di wireless ‘Bluetooth-like’ nel rivelatore?

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0.13m consumera’ molto menopero’ le tensioni di alimentazione saranno piu’ basse (1.2-1.5V)

Power/channel 0.25µm 0.13µm

Preamp 0.65mW 0.10mW

Total analogue 1.90mW 0.30mW

Digital power 0.41mW 0.09mW

Total 2.31mW 0.39mW

ElettronicaMolto si basa sulla validita’ della legge di Moore…

La tecnologia Deep sub-Micron 0.25msta aiutando molto LHC

Per il 2015 sara’ disponibile il 0.13m (90nm):RadHard ma pero’piu’ sensibile al Single EventUpset‘Entry cost’ molto elevato e competenze di base sono i punti

deboli della tecnologia proposta R&D in Gr.5 di Pd, Ba (Bo,To)

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Regione ‘Pixel-like’

• Sistema attuale (CMS): Disegnato per resistere a =6x1014 neq/cm2

(z)~(r)~15m per misure di precisione sul parametro d’impatto 3 layer (CMS): r=4.3cm, 7.2cm 11cm

Area totale ~ 1m2

Fluenza e rate

CostoLimitati da:

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Fluenza per SLHCx5 luminosita’ integrata

Usando il limite di 6x1034ncm-2

r>26cm

Cosa fare? RD501. sostituire il rivelatore ogni 1-2 anni2. migliorare la resistenzadel sensore

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Studi su nuovi sensoriSensori CMS ossigenatiProcesso doppia faccia 300 m n su n

Test beam 2003 – Metodo tracce radenti per la misura dello svuotamento

A 600V per =1015ncm-2 rivelatore quasi svuotato

Se arriviamo a 3x1015 ncm-2 possiamousare questi rivelatori fino a 8cm!!

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Pixel system n.1• 3 layer: 8cm, 11cm, 14cm

– Possibile se riusciamo a produrre un rivelatore capace di sostenere fino a =3x1015ncm-2

– Fondamentale per il b-tag

• Area del pixel rimane invariata– 15000m2 nessun miglioramento apparente per

dimensioni minori

• Importanti modifiche nel read-out chip per la gestione dell’enorme quantita’ di dati

• Stima del costo 400SFcm-1

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Pixel system n.2• Per 15cm< r <25cm si deve sviluppare una

tecnologia piu’ semplice e meno costosa

• Rivelatori singola faccia n+ su p Si-Czochralski

• Area pixel 105m2 (160mx650m)

• Readout chip in tecnologia 0.13m

• Stima del costo 100 SFcm-1

• 2 layer: 18cm, 22cm

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Pixel system n.3• Resta da coprire la regione 25cm<r<60cm

• In questa fascia attualmente l’area di ciascun canale e’ di circa 10-15mm2 quindi occorrono maxi-pixel di 1-1.5mm2

• La proposta e’ usare mini-strip 200mx5000m con sensori DC-coupled p+ su n portando il segnale con fan-out di kapton verso readout chip simili a quelli degli altri due sottosistemi

• Il costo stimato e’ di 40 SFcm-1

• 3 layer: 30cm, 40cm, 50cm

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Sommario Pixel (CMS)

Tre sottosistemi (8 layer):

n.1 per massima fluenzan.2 minor coston.3 sistema di grande superficie

Occorrera’ ottimizzareil disegno per permettereuna riduzione dei costi.Stima attuale (con P.S. ma senza meccanica: 17 MSF per una copertura fino a ||<1.7

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ECAL CMS

APD Rad Hardness Controllati fino a 5kGy (alcuni fino a 10kGy) – molti OK (qualche caso di variazioni significative del breakdown voltage esclusi In molti casi variazioni di solo ~1V, vs. 40V del margine sul breakdown

Occorre un programma per il test degli APD sotto neutroni con fluenze fino a ~2.1014 n/cm2 + annealing 18oC

Dose 2kGy Neutrons 7.1013 cm-2

= 1.48 at APDsDose 5kGy Neutrons 1.3.1014 cm-2

Studi d’irraggiamento dopo 3300fb-1 (LHC+SLHC)

Effetto della corrente di fuga dell’APD sul rumore di un canale

(da 20A LHC a 130A SLHC) da 60 MeV a 150MeV

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Cristalli di ECAL

20 30 40 % LY loss

LY lossdistribution for 677 xtals

Sono stati effettuati studi di perdita di LY dipendente dal dose rate tramite irraggiamento con 60Co

A SLHC, =3, massimo dello sciame Dose rate = 150Gy/h

Non sono inclusi effetti dovuti a sciami adronici

LY loss tramite la misura dell’assorbimento indotto

Si assume che tutti i centri di colore siano attivati caso peggiore

Effetto globale sul rumore di un cristallo della variazione del LY 190MeV

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Tempo di formazione e Pile-up (Atlas LAr)

10

10

~ 1035

Probabilmente sara’ necessario

cambiare lo shaping time dell’elettronica del LAr per avere un

rumore ottimale

Lo shaping time ottimale scala

con la luminosita’ L-1/4 => tp() ~

28ns @1035

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Effetti di carica spaziale (LAr)

= d2

V J

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Critical Density

Energy Density

EC

-EM

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2

E/E0

E-anode/E0

E-cath/E0

J=charge inject rate / vol ~ energy inject rate / vol

= A+ mobility

Effetti significativi per ||>2

||

Dipende dal

parametro

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Tilecal (Atlas)• Danneggiamento da radiazione ed

invecchiamento degli scintillatori– Light yield funzione della dose:

LY ~ exp(-D/D0), D0 ~ 21.5 kGy

400 Gy/yr (4x104 rad) @ 1035 nel caso peggiore || ~ 1.2

LY vs. Time @ 1035

Invecchiamento: 1%-3%/anno

Danneggiamento da radiazioni: 2%/anno(da: Fig. 5-45 TileCal TDR)

0.1

1

0 10 20 30 40 50

kGy

LY

LY vs. Dose

?

• Pileup @ 1035 -> 270 MeV da confrontare con Min-Ion ~ 380 MeV

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Sistemi per MuoniI sistemi per muoni di ATLAS/CMS sono progettati con un fattore di sicurezza 3-5 rispetto alle stime del fondo (i fattori di margine reali saranno noti solo quando LHC avra’ iniziato la presa dati)

Possibili strategie: • aumentare gli schermi ad alti per ridurre il fondo in tutta la regione dei muoni• limitare l’accettanza in || per la misura dei muoni

L’attivazione dei materiali ad alti (schermo, supporti, rivelatori, elettronica) limitera’ i tempi di accesso per la manutenzione

Le scelte verranno probabilmente dettate dal tipo di fisica che si intendera’ fare ad SLHC:

rivelatori robusti per accettanza anche ad alto oppure

schermi ed accettanza limitata alla regione centrale

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Risoluzione MDT Vs Rate (Atlas)

Max. rate @ 1035 ~ 1 kHz/cm2: degradazione significativa

a causa della carica spaziale

single tube resolution vs.

drift radius

Ar:CO2(93:7), 3 bar

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000

m vs. rate

?

(Hz/cm2)m

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Limitazioni del DT Local Trigger (CMS)

•Confusione intrinseca del bunch-crossing adiacente:

Nei DT la propagazione del segnale lungo l’anodo e’ di circa 10 ns (end to end)

•Il DT local trigger puo’ essere comunque usato a 40 MHz con il bunch-crossing di SLHC a 80 MHz, pero’:

• Identificazione a doppio BXs• Ridotta efficienza• Identificazione dei dimuoni non affidabile

•L’elettronica del DT local trigger non puo’ funzionare a 80 MHz

•La resistenza alle radiazioni ad SLHC e’ marginale

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SLHC Trigger menu

• Tre tipi di trigger:– Fisica di scoperta

• PT molto alti (soglie dell’ordine delle centinaia di GeV)

– Completamento del programma di fisica di LHC• Misure di precisione nel settore di Higgs• Soglie su leptoni fotoni e jet confrontabili con quelle

di LHC• Stati finali conosciuti selezione esclusiva

– Trigger di controllo e calibrazione• W, Z, top• Basse soglie, acquisizioni prescalate

• Non sembrano esserci problemi di rate

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Conclusioni• Super-LHC

– Massimizzazione dell’investimento sulle infrastrutture e ponte verso le macchine successive (dal 2015 in poi)

– Luminosita’ massima di 1035cm-2s-1 con ‘limitati’ interventi hardware

– Attenzione: la luminosita’ integrata potrebbe non scalare come quella massima

• Fisica– Beneficio in molti campi (EW, Higgs, Susy, …)– Si potra’ essere piu’ precisi solo dopo i primi anni di LHC e dare

maggiore o minore enfasi all’upgrade ed al suo indirizzo• Rivelatori

– Tracciatori interni da rifare; poco tempo per R&D sfruttare al massimo le tecnologie attualmente disponibili

– Calorimetria, muoni, trigger e DAQ da modificare eliminando i punti critici (radiation hardness, rates, trigger, …)

• Tempi– per essere realistici sforzi limitati di R&D fino al 2007, poi 3-5

anni di studi e definizione del sistema, seguiti da 3 anni di costruzione; installazione nel 2015.

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