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  1. Prime idee per esperimenti al SuperLHC Carlo Civinini INFN-Firenze Carlo Civinini INFN - Firenze

  2. Parlero’ di... • Upgrade di LHC • Fisica a SLHC • Esperimenti • Tracciatore • Calorimetria • Sistema per muoni • Trigger e DAQ • Elettronica Carlo Civinini INFN - Firenze

  3. Upgrade Fase 0 Nominale Fase 0 Carlo Civinini INFN - Firenze

  4. Upgrade Fase 1 Nominale Fase 1 Carlo Civinini INFN - Firenze

  5. Upgrade Fase 1 (superbunch option) Nominale Fase 1 …evidenti problemi per quanto riguarda elettronica e trigger degli esperimenti Carlo Civinini INFN - Firenze

  6. 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  7. Luminosita’ integrata e = 100% per un anno Integrale da 0 a Trun Numero di fill per anno 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). Carlo Civinini INFN - Firenze

  8. ‘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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  9. 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  10. 5 contours CMS tan=10 Supersimmetria SLHC puo’ estendere la regione di scoperta di circa 0.5 TeV: ~2.5 TeV  3 TeV Queste ricerche coinvolgono ET jet/leptoni e missing ET  Quindi non sono molto compromesse dal pile-up di SLHC Carlo Civinini INFN - Firenze

  11. Un riassunto sulla fisica Valori espressi in TeV (eccetto WLWL) La luminosita’ corrisponde ad un anno di presa dati per un esperimento * Misure indirette Carlo Civinini INFN - Firenze

  12. Tempistica… Possibile upgrade Carlo Civinini INFN - Firenze

  13. 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 collegatea 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, , ETmiss elevata • Ma molto impegnativi per sfruttare completamente l’alta luminosita’ in caso di: e ID, b-tag, -tag, forward jet tagging (?) Carlo Civinini INFN - Firenze

  14. 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  15. 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 spazialeparagonabili. • Per R>60 cm si puo’ pensare di utilizzare Si-microstrip portando al limite la tecnologia attuale per le resistenza alle radiazioni • Per R<20 cmmolto lavoro di R&D per far funzionare un rivelatore a Si (pixel come unica possibilita’) • 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  16. Modulo Si-microstrip CMS Pins Front-End Hybrid APV and control chips Semplificare Kapton cable Now incorporated with the hybrid. Pitch Adapter +Test Kapton Bias Circuit Carbon Fiber/Graphite Frame Silicon Sensors Carlo Civinini INFN - Firenze

  17. Modulo tipo ‘Straw man’ (CMS) • Bump bonding commerciale: • 100/200mm 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  18. Tipo di sensore Magnetic Czochralski (ROSE, RD50) Carlo Civinini INFN - Firenze

  19. 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? Carlo Civinini INFN - Firenze

  20. Elettronica Molto si basa sulla validita’ della legge di Moore… La tecnologia Deep sub-Micron 0.25mm sta aiutando molto LHC Per il 2015 sara’ disponibile il 0.13mm (90nm): RadHard ma pero’ piu’ sensibile al Single Event Upset 0.13mm consumera’ molto meno pero’ le tensioni di alimentazione saranno piu’ basse (1.2-1.5V) ‘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) Carlo Civinini INFN - Firenze

  21. Fluenza e rate Costo Limitati da: Regione ‘Pixel-like’ • Sistema attuale (CMS): • Disegnato per resistere a F=6x1014 neq/cm2 • s(z)~s(rf)~15mm per misure di precisione sul parametro d’impatto • 3 layer (CMS): r=4.3cm, 7.2cm 11cm • Area totale ~ 1m2 Carlo Civinini INFN - Firenze

  22. Fluenza per SLHC x5 luminosita’ integrata Usando il limite di 6x1034ncm-2  r>26cm Cosa fare? RD50 1. sostituire il rivelatore ogni 1-2 anni 2. migliorare la resistenza del sensore Carlo Civinini INFN - Firenze

  23. Studi su nuovi sensori Sensori CMS ossigenati Processo doppia faccia 300 mm n su n Test beam 2003 – Metodo tracce radenti per la misura dello svuotamento A 600V per F=1015ncm-2  rivelatore quasi svuotato Se arriviamo a 3x1015 ncm-2 possiamo usare questi rivelatori fino a 8cm!! Carlo Civinini INFN - Firenze

  24. Pixel system n.1 • 3 layer: 8cm, 11cm, 14cm • Possibile se riusciamo a produrre un rivelatore capace di sostenere fino a F=3x1015ncm-2 • Fondamentale per il b-tag • Area del pixel rimane invariata • 15000mm2nessun miglioramento apparente per dimensioni minori • Importanti modifiche nel read-out chip per la gestione dell’enorme quantita’ di dati • Stima del costo 400SFcm-1 Carlo Civinini INFN - Firenze

  25. Pixel system n.2 • Per 15cm< r <25cm si deve sviluppare una tecnologia piu’ semplice e meno costosa • Rivelatori singola faccia n+ su pSi-Czochralski • Area pixel 105mm2 (160mmx650mm) • Readout chip in tecnologia 0.13mm • Stima del costo 100 SFcm-1 • 2 layer: 18cm, 22cm Carlo Civinini INFN - Firenze

  26. 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 200mmx5000mm 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  27. Sommario Pixel (CMS) Tre sottosistemi (8 layer): n.1 per massima fluenza n.2 minor costo n.3 sistema di grande superficie Occorrera’ ottimizzare il disegno per permettere una riduzione dei costi. Stima attuale (con P.S. ma senza meccanica: 17 MSF per una copertura fino a |h|<1.7 Carlo Civinini INFN - Firenze

  28. ECAL CMS Studi d’irraggiamento dopo 3300fb-1 (LHC+SLHC) Dose 2kGy Neutrons 7.1013 cm-2 = 1.48 at APDsDose 5kGy Neutrons 1.3.1014 cm-2 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 Effetto della corrente di fuga dell’APD sul rumore di un canale (da 20mA LHC a 130mA SLHC)  da 60 MeV a 150MeV Carlo Civinini INFN - Firenze

  29. LY lossdistribution for 677 xtals 20 30 40 % LY loss Cristalli di ECAL 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  30. Tempo di formazione e Pile-up (Atlas LAr) Lo shaping time ottimale scala con la luminosita’ L-1/4 =>tp(D) ~ 28ns @1035 ~ 1035 Probabilmente sara’ necessario cambiare lo shaping time dell’elettronica del LAr per avere un rumore ottimale Carlo Civinini INFN - Firenze

  31. Effetti di carica spaziale (LAr) J=charge inject rate / vol ~ energy inject rate / vol m= A+ mobility Dipende dal parametro E-cath/E0 E-anode/E0 EC-EM Effetti significativi per |h|>2 |h| Carlo Civinini INFN - Firenze

  32. 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 (4x104rad) @ 1035nel caso peggiore |h| ~ 1.2 LY vs. Time @ 1035 Invecchiamento: 1%-3%/anno Danneggiamento da radiazioni: 2%/anno (da: Fig. 5-45 TileCal TDR) LY vs. Dose ? • Pileup @ 1035 -> 270 MeV da confrontare con Min-Ion ~ 380 MeV Carlo Civinini INFN - Firenze

  33. Sistemi per Muoni • I 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 h per ridurre il fondo in tutta la regione dei muoni • limitare l’accettanza in |h|per la misura dei muoni • L’attivazione dei materiali ad alti h (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 h • oppure • schermi ed accettanza limitata alla regione centrale Carlo Civinini INFN - Firenze

  34. Risoluzione MDT Vs Rate (Atlas) single tube resolution vs. drift radius Max. rate @ 1035 ~ 1 kHz/cm2: degradazione significativa a causa della carica spaziale mm vs. rate ? mm Ar:CO2(93:7), 3 bar (Hz/cm2) Carlo Civinini INFN - Firenze

  35. 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) • L’elettronica del DT local trigger non puo’ funzionare a 80 MHz • 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 • La resistenza alle radiazioni ad SLHC e’ marginale Carlo Civinini INFN - Firenze

  36. 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 Carlo Civinini INFN - Firenze

  37. 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. Carlo Civinini INFN - Firenze

  38. Backup Slides Carlo Civinini INFN - Firenze