INFN Roadmap “SLHC: Costo per R&D nel quinquennio Convener: M. de Palma.

INFN Roadmap “SLHC: Costo per R&D nel

quinquennio

Convener: M. de Palma

Roma, 11 Gennaio 06 M de Palma, WG SLHC 2

Out line

Schedule dell’upgrade Necessità di ATLAS e costi per INFN* Necessità di CMS e costi per INFN* Costo totale e conclusioni

* Limitatamente agli item in cui INFN è coinvolto


Schedule I tempi assunti dal WG:

2007-2008 Programma generale di R&D.

2009-2010 Definizione del progetto di upgrade (entro un chiara definizione della macchina SLHC); prototipi

2010-2012(?) preserie, inizio costruzione

2012- 2015(?) Costruzione

2015(?)- 2017(?) Assemblaggio, integrazione,commissioning….

Running


Considerazioni Per ATLAS, le valutazioni sviluppate dai singoli gruppi sono armonizzate

da un Documento preparato dall’Atlas High Luminosity Upgrade Steering Group “Cost estimate for an ATLAS upgrade for a high luminosity LHC (SLHC)” (draft del 22/11/2005):

Tale documento contiene ancora elevati livelli di incertezza ma è un utile sistema di riferimento

Per CMS, manca ancora una armonizzazione a livello di collaborazione, pertanto le stime dei costi, anche se limitate agli R&D, sono solo elaborazioni dei singoli gruppi e quindi potrebbero essere non molto precise.

Per entrambi si assume lo share degli attuali MoU ma questi ovviamente potranno cambiare o essere ricontrattati.

La fase di R&D per i tracciatori è attualmente stimata separatamene per i due esperimenti. Si dovrebbe cercare degli item comuni e farli convergere in una unica linea di sviluppo con probabili risparmi .


ATLAS- Muon system

MDT: le detector performance, l’elettronica di Front-end e quella del LV1 dovrebbero essere OK con un accettabile degrado.

Al momento, la quantificazione dei costi è dettata dal rischio: se livello basso 0 €; se livello alto (test di irraggiamento a GIF) scelta se occorre rimpiazzare camere ???

RPC: Le detector performance e l’elettronica di Front-end dovrebbero essere OK ( necessari test alla GIF)

Shielding upgrade: è indispensabile (beam pipe in berillio e nuovi schermi in avanti) ed ha un costo per INFN


Atlas – Calorimeters

LAr: Il rivelatore (con qualche limitazione per ionizzazione, carica spaziale,……) è assunto Ok

E’ probabile l’upgrade (non la sostituzione)del sistema di HV e del DCS

E’ sicuro l’upgrade dell’Elettronica di read-out system Specifico interesse dell’INFN per R&D, con partecipazione al

costo totale con lo share dell’ MoU

Tile: Si assume che il detector, i PMT non saranno cambiati, parti non resistenti alla rad. (LVPS) saranno sostituite, mentre l’elettronica di F.E. sarà ridisegnata e sostituita. Si parteciperà al costo degli R&D e dell’upgrade.


ATLAS TrackerSi ricorda che il tracciatore interno va completamente sostituito e l’idea è di avere

un sistema tutto basato su silici.

La stima dei costi è basata su un layout preliminare. Si assume una parte interna coperta da rivelatori a Pixel e una parte esterna

coperta da microstrip,probabilmente suddivisa in 2 regioni di differente granularità.(I parametri precisi dovranno essere ottimizzati )

Si conserva lo share dell’ MoU: nell’ID è del 6.3 % e nel Pixel del 31.8 %. L’ INFN intende confermare l’ impegno nella parte a pixel

Per il rivelatore a Pixel si assume un area doppia di quella attuale (4 strati)Si assume anche che parte dei servizi (50%) siano riutilizzabili, mentrel’elettronica off-detector di R/O sia da ridisegnareAlimentatori dovranno essere aggiunti per coprire in nuovi moduli (50%).Si è considerata una contingenza del 30%Si sono considerati pure costi di NRE (per l’elettronica) e di R&D specie su

sensori


Atlas - Costi

K€ years 2007,2008 years 2009,2010 year > 2010 R&D program Prototypes, modules 0 Constrution

Detector Needs cost for INFN cost for INFN total Cost %CORE INFNPIXEL nuovo 500 700 21000 6720SCT nuovo 72000ID installazione 7000 1050Shield upgrade 4000 700RPC elet. upgrade (12,5 nsec) 500 500

elet. upgrade (15 nsec) 1100 170elet. upgrade (10 nsec) 300 2500 380

MDT+RPC Test invecchiamento 500 500 200MDT elettr. upgrade 100 150 1250 250HLT + DAQ upgrade 7000 1100LAr ROD nuovo 4000LAr Elett. nuovo (12,5 nsec) 110 130 11000 500LAr HV nuovo 30 70 1000Tile 30 70 7000 600

TOTAL 1270 1920 135750 11620


CMS (I)MUON System - DT

Le camere dovrebbero funzionare e non si dovrebbe intervenire Ok. Nell’ ipotesi di BC a 40 MHz, va rifatta l’elettronica di trigger mentre si può conservare quella di read out (se non ci saranno problemi di danni da rad.) Con Cambio del BC, il TDC va bene ma bisognerebbe cambiare anche il resto del read-out.

C’è l’ipotesi di modifica delle HV per l’indentificazione del BX con le sole DT, porta ad un incremento sensibile dei costi, ma va discusso in CMS

Muon system RPC Nella parte barrel dovrebbe funzionare tutto (rivelatore, elettronica F.E., elettronica di trigger) Ok sebbene al limite per il rivelatore e il trigger

La situazione è molto diversa per End-Cap dove però con c’è una implicazione INFN


CMS (II).ECAL: Considering work for disassembly and refurbishing (at least 2 years) and the costs involved, ECAL could be used even with a degradeted performances (to be studied !) due to decrease of LY, increase of noise and pileup.For the Endcap, the situation is more difficult.Read out chain should be OK for BC 2 X 40 MHz

TRACKER: The silicon sensor (both strip and pixel) and electronic would suffer substantial radiation damage strongly degrading the performance.Most of material (frames, glues, insulators… etc.. are not tested to the dose above. The inner detector system must be completely rebuilt


CMS – Tracker • TIB/TID Consortium has mainly interest to rebuild the internal part of the Tracker

• Sensor development• Electronics (including Trigger at Level-1) – see A. Ranieri talk

• Four main sub-systems for Tracking– 8, 11 and 14 cm, p+-on-p (current pixel technology)

• Pixel area ~ 100 m x 150 m – 18, 22 cm, Czochralski, n+-on-p

• Pixel area ~ 160 m x 650 m – 30, 40 and 50 cm

• Macro pixel or micro strips (area 200 m x 5 mm/ 50-80 m x 3 cm)– Larger radii

• Silicon strip technology

• Intermediate prototypes in about 5 years– Layer 0 (close to the beam)– Layer 4 (between current pixel and SST)– Engineer prototype for outer layers


CMS – Tracker, INFN R&D interests• Phase I (R&D) 2007-2008

– Sensors (Learning and re-qualification)• Some Laboratories will use the current hybrid-pixels of CMS• Some Laboratories will start the test of the new pixel technologies (3D, EPI)• Some Labs will investigate strips• For all Labs, need some re-qualification of the test equipment • Test beams

– Electronics (new chips 0.13 mm or less technology)• Costs of R&D• Trigger chip

– Mechanics (+ services and cooling)– Simulations

• Phase II (pre-series) 2008-2010 – Prototypes and pre-series of modules for all layers

Barrel only with an expect 50% from INFN


CMS - Costi

K€ years 2007,2008 years 2009,2010 year > 2010 R&D program Prototypes, modules 0 Constrution

Detector Needs cost for INFN cost for INFN total Cost %CORE INFNTracker nuovo (pixel) 700 1300Tracker elett. f.e. nuovo 150 350DT upgrade Trigger e cont 250 490DT upgrade Readout (12,5 nsec) 20 40Ecal degrad. Study 50

TOTAL 1170 2180 0 0


Conclusioni

I tempi potrebbero dilatarsi (shift di 1,2,.. Y ?)

Gli R&D per i tracciatori dovrebbero effettivamente iniziare nel 2007

La stima dei costi è ancora abbastanza incerta

La frequenza di BC scelta per SLHC può sensibilmente cambiare i costi

Lo share per l’ INFN potrebbe cambiare, modificando ancora i costi

K€ years 2007,2008 years 2009,2010

R&D program Prototypes, modulesEXP cost for INFN cost for INFN

ATLAS 1270 1920CMS 1170 2180

TOTAL 2440 4100


• altre


ATLAS - Muon system from P.Bagnaia, L. Nisati

The detector performance should be Okwith a acceptable degradation of the spatial resolution.

The Front-end electronic should be Okwith some problems with high rate but on DAQ side.

Also the LV1 electronic should be Ok •If BC < 25 ns •If the trigger decision can be taken on 2 and BCID done al LVL2

SLHC

LHC

Single tube resolution(bck x 5, x 2 worseningfor charge fluctuation)

MDT Muon system designed with a 5 safety margin on bck rate


ATLAS - Muon system from A. Di Ciaccio

All along the test (8 ATLAS year, safety factor 5 = 100 Hz/cm2), chamber performance (efficiency, cluster size, rate capability) have remained largely above the actual ATLAS requirements and cover the SLHC request. (provided that Temperature, RH of the environment and gas mixture are kept at a proper value)

The detector performance should be OK

Since all tests have been done with final Front-end electronic that should be also OK (without safety factor on bkg level)

At SLHC additional shielding and beryllium beam pipe should be inserted to further decrease (x 2 reduction) the background rate The expected rate in the Barrel muon system could be estimated ~50-100 Hz/cm2

SLHC

RPC

RPC efficiency after 7 ATLAS year

Few Hz

500 Hz


Atlas – LAr Calorimeter from M. Citterio

The liquid argon calorimeter was optimized for the nominal LHC luminosity, a x 10 increase of this luminosity would rise concerns on:

1) Space charge effects → signal reduction2) Argon contamination → signal reduction3) Charge density increase → pile-up 4) Activation → noise increase5) phase instability → operation problems6) Voltage drop in the HT distribution → rate dependent response7) General radiation damage of electronics → single element (now built

in 13 different ICs) could not be changed (next slide)8) The high occupancy of SLHC require a new read-out chain design9) A BC rate > 40 MHz require new pipeline


CMS – EM Calorimeter from N. Pastrone

Crystal

The dose in the Barrel ( = 2.4) goes from 0.15 Gy/h @ 1034 to 1.5 Gy/h, in the EndCap it reaches 30 Gy/h at = 2,6 and 75 Gy/h at = 3.

Those produce at SLHC a significant change in LY: <LY> drops by ~25% in barrel, 30% Endcap.

In EndCap we are close to the “saturation” condition.

Still more study are needed ( irradiation test, calibration study…) LY for different densities of colour centres

( Radiation damage increase colour centres)


CMS – EM Calorimeter (II)PhotosensorsIn Barrel, sensible increase of leakage current (20 A/Y at SLHC) of APD is expected. It translates in large increase in electronic noise ( ~190 MeV per channel with respect to ~ 40 MeV al LHC) (study performance with higher n fluxes)In Endcap, VTP glass window has to be tested at the expected dose.

In conclusion:Considering work for disassembly and refurbishing (at least 2 years) and the costs involved, ECAL barrel could be used even with a degradeted performances (to be studied !) due to decrease of LY, increase of noise and pileup.

For the Endcap, the situation is more difficult.

Read out chain should be OK for BC 2 X 40 MHz


Atlas - hadron calorimeter from T. Del Prete

Detector should be OKA decrease of the light budget produces a degradation of the energy measurement (3-5%) which effects Jet Energy Reconstruction. /E ≈ 10% @1034 ≈ 30% @ 1035 for Ejet = 100 GeV

All Electronic components have been tested above the rad doses for 10Y @ 1034 . They should survive 5Y @ L = 1035 but no NO safety margin.Some part: (Mother Boards, Digitisers, Interface…..) are more rad-fragile

If SLHC needs to increase BC rate, all the F/E logic has probably to be redesigned.

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