L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio Gabriele Chiodini Fermi...

L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio

Gabriele Chiodini Fermi National Accelerator Laboratory

P.O. Box 500 Batavia, IL 60510, USA

Presentato a:

INFN - Lecce, Italia

Ottobre 14, 2002

Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 2/70

L’obiettivo dell’esperimento BTeV e’ misurare con precisione i parametri del MS e cercare in modo sistematico inconsistenze al fine di scoprire fisica oltre il modello stesso.

Se “nuova fisica” verra’ scoperta al Tevatron o a LHC, per poter distinguere tra vari modelli sara’ necessario compiere misure di precisione.

–J. Ellis: “My personal interest in CP violation is driven by the search for physics beyond the Standard Model…”

Le misure da compiere a tal proposito sono:

• lati ed angoli del triangolo unitario in modo ridondante ed ad elevata statistica (violazione di CP in Bd e Bs, Bs mixing).

• Cercare segnali dove il MS non ne prevede (decadimenti rari del b, mixing e viol. di CP nel c).

BTeV e’ in grado di fare queste misure


Sommario• Motivazioni

» Fisica dei sapori» Violazione di CP

• L’esperimento BTEV» Introduzione» Sistema di tracciamento» Identificazione di particelle» Trigger e DAQ» Status

• R&D dei rivelatori a pixel al Fermilab » Introduzione» Rivelatore a pixel ibrido» Risoluzione spaziale » Elettronica CMOS 0.25 m» Status

• Conclusioni


Motivazioni – Fisica dei sapori Matrice CKM e fisica del b

Matrice CKM:• 0.22 (dec. semileptonico quark s). • A0.8 (dec. semileptonico quark b).• VV+=1 unitarieta’:

• soppressione FCNC• 6 triangoli unitari• I 4 angoli ’determinano la matrice V completamente

qL

W-

qL’Vqq’

-1/3 2/3

2 3 2

2 2 4 2 2

3 2

1 11- λ λ Aλ -i 1- λ

2 2

1V= -λ 1- λ -i A λ Aλ 1+i λ

2Aλ 1- -i -Aλ 1

η

η

ρ

η

ηρ

d

s

b

u c t


Motivazioni – Fisica dei sapori Il triangolo unitario bd

),(

cb

ub

V

V

*

cb

td

V

V

)0,1()0,0(

Triangolo unitario bd:

• dalla violazione di CP in K.• da Vub/Vcb

• dal mixing di Bd e Bs.

• BaBar e Belle hanno misurato sin(2)=.79±.1 con CPV nel Bd. • CDF misurera’ il mixing nel Bs.

Incertezza significativa nella posizione del vertice:

• Incertezze teoriche: m e Vub/Vcb

• Statistica in sin(2).

, MOLTO piu’ difficili da misurare.


Motivazioni – Violazione di CP Ingredienti necessari

ii

iiiii

OCPOCP

OgOgL

)()(

*int

La simmetria CP e’ violata se la lagrangiana Lint contiene accoppiamenti complessi.

*intint ii

CP ggLL Il MS esplicitamente viola la simmetria CP attraverso il SOLO parametro

2 2

2 2

B A B A

B A B Aa

La violazione di CP si misura attraverso assimetrie di decadimento tra paricelle ed antiparticelle.

ws ii eaeA ws ii eaeA

bB bB

b a ab b a

aba

s w s w

s w

s w) , ( ) , (

cos cos 2

sin sin 22 2

Interferenza tra 2 ampiezze con diversa fase debole e forte


Motivazioni – Violazione di CP Interferenza decadimento-mixing

000

000

)()()(

)()()(

BtgBtgq

ptB

Btgp

qBtgtB

2

)()(

2

1

2

1timttimt HHLL

eetg

Pais-Treiman

debole fase forte"" fase)(

)(

f

f

A

A

p

q

tg

tg

2)(000

timt

H

HHeBqBpB

2)(000

timt

L

LLeBqBpB

Autostati di massa nelsistema neutro B0-B0

ff Atgp

qAtftB )()(g|)(0

Mixing+decadimento generano la seconda ampiezza che interferisce con il decadimento diretto.


Motivazioni – Violazione di CP “Golden mode” 1: |f> autostato di CP

Mixing box diagrams

d2

2

2*

Bin )( i

tdtb

tdtb eVV

VV

p

q

B0Ks

1CP

CP

A

A

)sin(Im))(())((

))(())(()(

00

00

mtftBftB

ftBftBtA

CPCP

CPCPCP

)2sin(

Im

1))(())((

))(())((

2

0

00

0

00

x

x

ftBftBdt

ftBftBdt

A

CPCP

CPCP

CP


Motivazioni – Violazione di CP “Golden mode” 2: |f> non autostato di CP

Bs Mixing

s2

2*

Bin 1)(

tstb

tstb

VV

VV

p

q

Bs Ds-K+, Bs Ds

+K-

))sin()sin(2

sin2

cos(||))((

))sin()sin(2

sin2

cos(||))((

))sin()sin(2

sin2

(cos||))((

))sin()sin(2

sin2

(cos||))((

22222

2222

22222

2222

mtmt

Amt

eAftB

mtmtmt

eAftB

mtmt

Amt

eAftB

mtmtmt

eAftB

strongCKMft

fs

strongCKMt

fs

strongCKMft

fs

strongCKMt

fs

))(2sin( 2 OCKM


Motivazioni – Violazione di CP Contaminazione da diagrammi a pinguino

“Contaminati”da diagrammi a pinguino

B0Ks

B0

BsKs

Teoricamente pulito

)sin(Im2)cos()||1()||1(2

||

))((

222

0

mtmteA

ftB

tf

Tree diagram (I=1/2,3/2)

Penguin diagram (I=1/2)

odecadiment nel ampiezzaun' se soltanto )(2 decaymixi

f

f eA

A

p

q

ie

ie


Motivazioni – Violazione di CP Analisi di isospin

Analisi sul Dalitz plot di B0 (con un solo 0)

00000

0

100

100

22 PTTTTπ|ρB

PPTπ|ρB

PPTπ|ρB

000

000 2

0

π|ρBfπ|ρBfπ|ρBf

AB

22

cos),(

imm

mf

)2cos(

)2sin(

Tree amplitude = Tij I=1/2,3/2Penguin amplitude = Pi I=1/2

Breit-Wigner

L’intensita’ del Dalitz plot oscilla nel tempo e dipende da:


Motivazioni – Violazione di CP Ricerca di nuova fisica

Nuova fisica e’ messa in evidenza se:• .• Nuova fisica potrebbe rimanere nascosta se .• BTeV testera’ in modo profondo il MS misurando :

Le asimetrie di CPV dipendono dai modelli:• Supersimmetrie• Extra multipletti di Higgs• Quarta generazione• Simmetria LR (WR)• FCNC mediate da Z’• …

)sin(

sinsinsin 2

BsJ/BsJ/

Mixing: MS vs SUSY

Decadimento: MS vs SUSY


BTeV – IntroduzioneLocazione di BTeV

La futura casa di BTeV: la nuova regione d’interazione CZero

CDF D0

Main injector 150GeV + recycler antip

Tevatron 1TeV

Fixed TargetExperiments

p p

Parametro Valore

ECM 2 TeV

L di picco 21032 cm-2 s-1

L integrata 2 fb-1/year

Bunch crossing 132 ns

Larghezza RI 50 m

Lunghezza RI 30 cm

<Inter./crossing> 2

Sez. d’urto tot. ~ 67 mb

Sez. d’urto bb 100 b

Sez. d’urto cc > 500 b


BTeV – IntroduzioneProduzione di beauty

Risonanza o Z0

Produzione di b-antib alle risonanze e+ e-

Z0

*** B-factory *** e+(3.1GeV) e-(9GeV) :

• b prodotti quasi a riposo• Energia vincolata• bb/ tot1/3 alla (4s)

Processi dominanti nella adroproduzione di b-antib

• b relativistici• Energia variabile• bb/ tot1/500• B, Bs, barioni con b


BTeV – IntroduzioneBTeV e B-factory

• Bo+ - (BR=0.45x10-5)

• B-Do - (Full product BR=1.7x10-7)

• Bs , Bc e b non prodotti ad e+e- Y(4S)

L (cm-2s-1) #Bo/107s D2 #tagged e+e- 1034 1.1 nb 1.1x108 0.45 0.26 56 BTeV 2x1032 100b 1.5x1011 0.021 0.1 1426

L(cm-2s-1) #Bo/107s # e+e- 1034 1.1 nb 1.1x108 0.4 5 BTeV 2x1032 100b 1.5x1011 0.007 176


BTeV – IntroduzioneRegione “forward”

Ridotto Multiplo Scattering

B ed antiB nellostesso emisfero

(“b tagging”)

L=2×1032cm-2s-1

<inter/crossing>=2


BTeV – IntroduzioneLo spettrometro BTeV

pp

Toroids

• Misure di p nel trigger.• Rivelatore di vertice a

pixel. – Trigger con decadimenti

adronici• Misura di momento

– p/p=1% a 100 GeV.• Ecal a cristalli di PbWO4

– and 0.• Ring Imaging Cerenkov

(RICH).– K, , p – Leptoni a basso p– Tagging del sapore.

• Rivelatore a muoni– Ridondanza nel trigger.

• DAQ veloce e di alta capacita’ di memorizzazione dati


BTeV – Introduzione”Tagging” del sapore

• efficienza (Nright+Nwrong)/(Ntot)• D diluizione (Nright-Nwrong)/(Nright+Nwrong)• Efficienza effettiva di tagging D2

• Metodo in ordine decrescente di D2:– Away side K±

– Away side Muoni (da fare con Elettroni).– Same side ± (per Bo) or K± (per Bs). – Away side Jet Charge (si sovrappone con ASK e ASM).

• Ciclare sui metodi, partendo da quello piu’ effettivo, e fermarsi quando si ha una risposta.

D2 (Bo) = 0.10, D2 (Bs) = 0.13 differenza dovuta al “same side tagging”


BTeV – IntroduzioneMisura della matrice CKM (107sec)

J/l+l-

Reaction B (B)(x10-

6)# of Events S/B Parameter Error or (Value)

Bo+- 4.5 14,600 3 Asymmetry 0.030

Bs Ds K- 300 7500 7 8o

BoJ/KS J/l+ l- 445 168,000 10 sin(2) 0.017

Bs Ds- 3000 59,000 3 xs (75)

B-Do (K+-) K- 0.17 170 1

B-Do (K+K-) K- 1.1 1,000 >10 13o

B-KS - 12.1 4,600 1 <4o +

Bo K+- 18.8 62,100 20 theory errors

Bo+- 28 5,400 4.1

Booo 5 780 0.3

~4o

BsJ/ 330 2,800 15

BsJ/ 670 9,800 30 sin(2 0.024


BTeV – IntroduzioneDecadimenti rari (107sec)

Reaction B (10-

6) Signal S/B Physics

BoK*o+- 1.5 2530 11 polarization & rate

B-K-+- 0.4 1470 3.2 rate

bs+- 5.7 4140 0.13 rate: Wilson coefficents


BTeV – IntroduzioneBTeV e B-factory “New Physics” modes

Mode BTeV (107s) B-fact (500 fb-1) Yield Tagged S/B Yield Tagged S/B

BsJ/ 12650 1645

>15 - -

B-K- 11000 11000 >10 700 700 4

BoKs 2000 200 5.2 250 75 4

BoK*+- 2530 2530 11 ~50 ~50 3

Bs +- 6 0.7 >15 0

Bo+- 1 0.1 >10 0 D*++Do, DoK+ ~108 ~108 large 8x105 8x105 large


BTeV – IntroduzioneBTeV e LHCb I

• LHC ha 5x sezione d’urto e 1.6x S/B.• BTeV ha rivelatore di vertice in campo magnetico

– Rimuove tracce a basso p nel trigger (alto multiplo scattering)• BTeV e’ progettato attorno ad un microvertice a pixel

– Bassa occupanza, basso rumore, facile “pattern recognition”– Permette di determinare la presenza di vertici secondari per il

trigger di primo livello. – Importante per accumulare grande statistica nei decadimenti rari

del beauty e charm.– Permette di prendere dati con piu’ interazioni per crossing.

• BTeV ha un ECAL di ottima qualita’• BTeV intende registrare su disco 5x b/sec


BTeV – IntroduzioneBTeV e LHCb II

(107sec)

Mode BRYield S/B

Yield S/B

Bs Ds K- 3.0x10-4 7530 7 7660 7

Bo+- 2.8x10-5 5400 4.1 2140 0.8

Booo 0.5x10-5 776 0.3 880 not known

BTeV LHC-b


BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel

Rivelatore ibrido a pixel

Readout chip

Sensor

Rivelatore di vertice planare

Bump

• Facile ricostruzione delle tracce con misura di punti nello spazio (x,y,z)• Resistenza alla radiazione (21014 particelle cm-2y-1)• Ridotto affollamento di hit ed elevato S/N


Multichip module50 m

400 m5 cm

1 cm

Si pixel sensors

sensor module

5 chips di readout

128 rows x22 columns

14,080 pixels (128 rows x 110 cols)

BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel: assemblaggio mezza stazione

HDI flex circuitWire bonds

Sensor module

Readout module Bump bondsPixel detector half-station


BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel: sistema meccanico

• Rivelatore assemblato in due meta’.

• Attuatori pneumatici muovono le due meta’ in (x,y):– Pixel allontanati durante il

caricamento dei bunch p-antip.

• No beam pipe:– Rivelatore nel vuoto– schermato dal fascio con un

sottile foglio di Al.• Collegamenti elettrici con

PCB sigillate mediante O-ring.


BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel: assemblaggio rivelatore di vertice

Half station

Flex cables

Feedthrough Board

Connectors to Data Combiner Board

Cooling pipe

Test di degasamento nel vuoto fatto con 10% del rivelatore assemblato:• Panelli di Al a –160°C hanno permesso di

raggiungere ~10-9 torr per qualsiasi T delle stazioni di pixel

Cable heat sink


BTeV – Sistema di tracciamentoForward tracker: Straw + SSD

Occupanza delle straw con b-antib

• Rivelazione Ks e • Proiettare tracce nel RICH,

EMCAL, Riv a muoni

• Scelta tecnologica conservativa (CDF/D0 ed esperimenti a LHC):– Straw a grande angolo– Microstrip di silicio vicino

ai fasci


BTeV – Sistema di tracciamentoSMD (Silicon Microstrip detector)

• Readout sparsificato ad ogni bunch crossing.

• Nessuna informazione di carica.

• Sensori:– p/n– 300 m di spessore– 100 m di passo– 7x7 cm2

• Vista assemblata con 4 ladder.


BTeV – Sistema di tracciamentoSMD (Silicon Microstrip detector)

• Struttura leggera di C per sostenere i 4 ladder che formano un piano

• Apertura diagonale per montaggio lungo la beam pipe

• Tubi di raffreddamento sul lato posteriore

• 3 viste (x,u,v) per stazione. • Viste sovrapposte e agganciate

mediante pin di bloccaggio ad elevata precisione.


BTeV – Sistema di tracciamentoStraw

• Vista di misura a tre strati. • 3 viste (X,U,V) per stazione.• Misura del tempo di drift.

• Diametro straw 4 mm.• Film esterno: kapton.• Strato di Al conduttivo.• Film interno: kapton+C.


BTeV – Sistema di tracciamentoEfficienza delle straw

Gas HV Eventi Eff. e-thr

Ar-CO2(80-20) 1300 934 55.2% 10

1350 1446 80.7% 7

1400 3600 92.0% 3

1450 4700 94.7% 2

Ar-Ethane (50-50+1.6%ethanol)

1450 1661 66.8% 10

1500 5489 86.4% 5

1550 1983 95.1% 3

Misure di efficienza dei prototipi di straw costruiti al Fermilab.


BTeV – Identificazione di particelleRICH

• L’identificazione di particelle e’ necessaria in un esperimento di fisica del b. • Separare p necessaria tra 3 e 70 GeV.

- Limite inferiore determinato dal magnete- Limite superiore dovuto alla cinematica del decadimento a due corpi del B.


BTeV – Identificazione di particelleRICH: radiatore

3 GeV 9 GeV 18 GeV

No separazione K/p sotto 9 GeV nel gas! un 20 radiatore

C4F10 gas n=1.00138

C5F12 liquid n=1.24

Aerogel n=1.03

Particelle cariche assorbite dal magnete

• Aerogel del proposal 2000 scartato dopo accurate simulazioni• C4F10 usato da DELPHI, HERA-B, HERMES, COMPAS, …• C5F12 – usato come gas da DELPHI (punto di eboll. 280C); studiato allo sato liquido nel laboratorio.

11

cos

nCherenkov ---

--- K--- p


BTeV – Identificazione di particelleRICH: layout

Gas Radiator

C4F10

Liquid Radiator

C5F12

s s

HPDsorMAPMTs

MirrorArray

beampipe

PMT tradizionali 3”

Mirror Focused Gas Radiator RICH Proximity Focused Liquid RadiatorRICH

+particle


BTeV – Identificazione di particelleRICH: sensori attivi per radiatore a gas

e

quartz

20.00 kV

19.89 kV

15.83 kV

0 kV

Diodi di Silicio con 163 pixels

Connection pins

3.4” 0pe1pe

2pe

3pe

BTeV HPD

18.0

R5900-M16

R8900-M16

R7600-M16: no outerinsulating layer

• Nuovo Multi-anodo PMT:– nuova focalizzazione sul primo dinodo

– area attiva 85%, 45% in R7600, 36% in R5900

– non c’e’ bisogno di lenti

• Fotodiodi ibridi– Segnale = 5000 e-

– HV = 20kV, 19.89kV, 15.83kV

– Sensibili a Bperp


BTeV – Identificazione di particelleRICH: specchi per radiatore a gas

6 mm glass (4.7% of X0)

2.2 mm glass +CF + foam (2.2% of X0)

CF alone (~1-2% of X0)

Turnov, Czech Republic(COMPASS)Circa la giusta dimensione e curvatura. Buona qualita’.Verra’ usato nel test su fascio del 2003.

CMA, Tuscan, AZCurvatura sbagliata.Piu’ R&D e soldi per prototipi.

Altre tecniche da esplorare:per esempio: specchi Hadesglassy-carbon – “Sigradur”0.8% di X0

Materiale minimo per non degradare lo ECAL.


BTeV – Identificazione di particelleRICH: risoluzione angolo Cherenkov

Radiator C4F10 C5F12

n 1.00138 1.24

Per photon

Cherenkov

angle

resolution

Chromatic 0.45 mrad

in visible wavelengths!

3.7 mrad

Emission point 0.53 mrad

mirror tilt

0.4 mrad

Photodetector segmentation

0.45 mrad (cost!)

5.5 mm hex

5.3 mrad

3” round

Total 0.83 mrad 6.2 mrad

Per track Photons 63 12.4

Resolution 0.10 mrad 1.9 mrad

Separation

Mid

momentum

17.835 GeV K/

6.46 GeV K/p

High momentum 4.470 GeV K/

2.89 GeV K/p


BTeV – Identificazione di particelleRICH: Simulazioni

Radiatore liquidoMigliora il tagging effettivo (D2) di ~25% per BS e ~10% per B0

Radiatore a gasPer estrarre da BSDsK bisogna soppirmere BSDs

HPD hits

B0K


BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico

Il calorimetro elettromagnetico deve identificare:• singoli : BK*,… • 0: B ,…• e ’: BsJ/ , BsJ/ ,…• Elettroni: BJ/ Ks, BXll, BXl,…

E’ necessario un calorimetro di elevata qualita’ :

ECAL a Cristalli di PbWO4:

• Tecnologia sviluppata da CMS• Resistenti alla radiazione (10Mrad)• Scintilllazione veloce (15ns 60%)• Lettura con fototubi (B=0)• 11000 cristalli 2.7x2.7x22cm3

• Geometria proiettivaCampione di cristallo PbWO4.


BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico : test su fascio a Protvino

Prestazioni simili a quelle del ECAL di CLEO/BaBar/BELLE ad un collisionatore adronico!

5X5 blocchi di PbWO4 di Bogoriditsk usato al test su fascio a Protvino

Prototipo di supporto meccanico di Al (celle in fibra di carbonio come in CMS troppo costose)


BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico : calibrazione

• Confermata resistenza alla radiazione e parziale recupero dopo l’esposizione• Segnale dipendente dal rate• LED con diversi colori usati per periodica calibrazione• Ogni cristallo avra’ le sue curve di calibrazione

(Gy)


BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico : simulazioni Bo

9.9x106 eventi di background

Bo+- S/B = 4.1

Booo S/B = 0.3

o

fondo segnale

mB (GeV) mB (GeV)


BTeV – Identificazione di particelleRivelatore di muoni

r u v

Trigger Trigger

Calibra il trigger Calibra il trigger principaleprincipale

Misura di p “stand-alone”Misura di p “stand-alone”

Efficienza>80%con reiezione di “minimum bias” >500

Stazione di ottanti sovrappostiStazione di ottanti sovrapposti 4 viste per stazione (r, u, v, r)

12 “plank” 12 “plank” per ottanteper ottante


BTeV – Identificazione di particelleRivelatore di muoni: ”plank” di tubi proporzionali

• Modulo (detto “plank”) di due strati di tubi proporzionali (diametro=3/8”, spessore=0.01”).

• Rumore misurato vicino al limite teorico (2 fC)

Plank efficiency > 99%

Gas: 85% Ar – 15% CO2

Plateau from 1.6kV to 1.75kV

Voltage (Volts)Test stand per raggi cosmici

Frazione di eventi con un solo tubo


BTeV – Trigger e DAQ Architettura

L2/3~2500 Linux PC

1.5 TB/s7.6 MHz

L1 rate reduction: ~100x

L2/3 rate reduction: ~20x

4 KHz

B TeV d etecto r

L 1 m u on

L 1 v ertex

G lo b a lL ev el-1

L evel-1

L ev el 2 /3 C ro ssin g S w itch

D a ta L o gg in g

F ro n t-en d e lec tro n ics

L ev e l-1 B u ffe rs

L ev e l-2 /3 B u ffe rs

In fo rm a tio n Tra n sfer C o n tro l H a rd w a re

IT C H

L evel-2 /3 P rocessor F arm

# 1

# 2

# m -1

# m

RDY

Crossing #N

Req. data for crossing #N

L evel-3 accep t

G L 1 accep t

P IX

> 3 x 1 0 ch an n e ls7


BTeV – Trigger e DAQTrigger di 10 livello: algoritmo

b

p p

B-meson

Pixel “esterni”Pixel “interni” Segmenti “interni”

Segmenti “esterni”

p p

cm 2.0

6

(GeV/c) 25.0 22

b

b

p

b

T

Evento accettato se 2 o piu’ tracce soddisfano:

Efficienza > 50%Reiezione min. bias 100


BTeV – Trigger e DAQ Trigger di 10 livello: architettura

30 station pixel detector

FPGA segment trackers

Merge

Trigger decision to Global Level 1

Switch: sort by crossing numbertrack/vertex farm(~2500 processors)

(~500 FPGA)


BTeV – Trigger e DAQ Trigger di 10 livello: prestazioni prototipo

Velocita’ di esecuzione normalizzata rispetto a DSP TIC6711

1

4

8

13

0 2 4 6 8 10 12 14

Intel Pentium III-M 1.13 GHz

Motorola MPC7400 G4 500MHz

BTeV Proposal

TI C6711 DSP 150MHz

Prototipo di track/vertex farm realizzato con DSP TIC6711


BTeV – StatusStoria

• Gennaio 1999: programma di R&D approvato dal Lab.• Giugno 2000: approvazione Stage I.

Spettrometro a due bracci.• Inverno 2001: La situazione fondi si deteriora.

Il Lab chiede un proposal per un rivelatore con un braccio.

La RI riusera’ componenti di CDF/D0. Maggio 2002: approvazione Stage I del rivelatore con un

braccio. Un braccio solo strumentato (almeno inizialmente). PAC raccomanda al laboratorio di esplorare altre

soluzioni per la RI. Calcolo offline attraverso universita’ (GRID). Costo ridotto da circa 180M$ a circa $110M.

• Ottobre 2002: Temple review interna al Lab.


BTeV – StatusFuturo

• Inverno 2002: DOE review mediante commissione P5. – Essenziale per ottenere grossi finanziamenti

• Primavera 2003: Lehman baseline review.• 2004-2008: Fondi per la costruzione.

– Installare componenti di test per aquisire esperienza reale.

– Installazione a stadi per completare la costruzione in anticipo.

• 2008: Inizio presa dati.


Pixel a FNAL – IntroduzioneMicrostrip e Pixel di silicio

I rivelatori a microstrip hanno avuto un impatto decisivo nella fisica dei quark pesanti:• Misura vita media dello D (CERN, E687-FOCUS a FNAL, …).• Misura vita media del B( LEP,SLD,CDF,D0,…).• Scoperta del quark top a CDF (b-tagging).

Vantaggi microstrip: • Elettronica ai lati• Poco materiale.

Vantaggi pixel:• Punto di misura nello spazio.• Basso rumore (ridotta Cin e Idark).• Resistenza alla radiazione.

I pixel sono essenziali nel tagging dei sapori pesanti (c,b a LHC e al Next Linear Colliner


Pixel a FNAL – Pixel ibrido

Rivelatore ibrido: matrice di diodi + matrice di celle di elettronica: •Sviluppo e ottimizzazione indipendenti del sensore e del chip di lettura.• Sono richiesti circa 5000 bump-bonding per cm2 per connettere le celle del sensore con le celle di readout (flip chip technique) .

Metalli per il bump: Indio (In) e lega SnPb • Under Bump Metal (Cr, TiW, Cu, Au, …):

• strato di adesione,barriera di diffusione e prevenzione dell’ossidazione

• Caratteristiche del processo di bonding:1. Indio : bump su entrambi i lati, evaporazione, temperatura

ambiente, pressione.2. Lega SnPb: bump su un solo lato, electroplating, alta temperatura,

reflow.


Pixel a FNAL – Pixel ibridoSensori n+/n/p resistenti alla radiazione

2

2dqNV eff

dep Vdep = potenziale di svuotamento, d=spessore del rivelatore,

= costante dielettrica, Neff = concentrazione portatori maggioritari

21410 cmfluence

type inversionTecnologia n+/n/pFunzionanti parzialmente svuotati dopo l’inversione del tipo di portatori

Struttura multi-guard ringNo corrente di superfice sul cut-edge


low resistivity high resistivity

SINTEF p-stop ATLAS TESLA mod. p-spray

Pixel a FNAL – Pixel ibridoTecnologia p-stop e pspray

L’isolamento inter-pixele’necessario per interrompere il canale di e- indotto da SiO2


Pixel a FNAL – Pixel ibridoElettronica di lettura: schema a blocchi

• Registri di mascheramento e iniezione di carica.• 4 timestamp nella logica di colonna.• Architettura a colonna e “data driven” (No trigger).• Serializzatore dati ad alta velocita’

• 1,2,4, o 6 linee• 140 Mbits-1linea-1

• V e I programmabili con DAC sul chip.• Segnali I/O di tipo LVDS

• uscite “point to point” • controlli su un bus comune

• Indirizzamento assoluto usato per programmare il chip.


Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Prototipi equipaggiati con FPIX0 e FPIX1

FPIX0 64x12cells

8 bit external ADCFPIX1 160x18cells

2 bit internal FADC

•ST1-CiS p-stop•ST2-CiS p-sprayBonded active area 3.2x4.4mm2

•Two ST1-Seiko p-stop•ST2-Seiko p-sprayBonded active area 8x6.8mm2

•1997: FPIX0, HP 0.8 um CMOS– front-end a due stadi, uscita analogica della carica.

•1998: FPIX1, HP 0.5 um CMOS– front-end a due stadi, 2 bit FADC/cella, veloce R/O senza trigger.


Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Test su fascio 1999

• Test con fascio di pioni a 227 GeV (multi. scatt. 1.2 m).• Ricostruzione nello spazio delle tracce con un Telescopio a microstrip di Si( risoluzione 2 m non deconvoluta dai dati).

Target

3.2 mm X 4.8mm

7.2 mm X 8.0 mm

Interazione ricostruita nei piani di pixel: densita’ di tracce 10 volte superiore a quella di BTeV


Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Risultati (test su fascio 1999)

FPIX0 pstop (8bit) Qth=2500e-

FPIX0 pspray (8bit) Qth=2200e-

FPIX1 pstop (2bit) Qth=3780e-

Nel caso del sensore p-spray (vecchio tipo) la perdita di carica peggiora la risoluzione spaziale in modo significativo.

La risoluzione si degrada meno di 1 um passando da 8 bit (nominali) a 2 bit.


Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mMotivazione

In CMOS radiazione ionizzante crea centri di “trapping” per lacune nel SiO2:

– Vth shift.

– ILeakage in un MOS e tra MOS.

Gate sottili: – rimozione lacune per tunnel elettronico quantistico se tox <6nm.

Regole di layout (RD49):– NMOS senza bordo (no MOS parassiti). – NMOS con guard ring (no ILeakage tra MOS).

Caratteristiche di “deep submicron”:– Alta densita’, buona velocita’, basso rumore, bassa potenza, alto yield e basso costo.

eccellente per pixel

Enclosed geometry

Linear geometry

S

G

D

D SG


Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mElettronica di lettura: Front-end

• FE ottimizzato per 132 ns di BCO.• Compensazione DC di Ileakage in DSM.• Flash ADC/cella a 3 bit.

•1999: PreFPIX2_T, matrice 2x160, TSMC 0.25 um CMOS Risposta analogica dell’amplificatore di carica prima e dopo esposizione (33 Mrad) fatta mediante una sorgente di Co60 ad Argonne.


Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mTest di radiazione con protoni a IUCF: Setup

•2000: 4 preFPIX2_I, matrice 18x32, CERN 0.25 um CMOS. 5 preFPIX2_Tb, matrice 18x32, 14 x 8 bit DAC, TSMC 0.25 um CMOS.

•2002: Data output interface e LVDS driver, TSMC 0.25 um CMOS.

2.5V Power Supplies

LVDS driver board

Laptop

LVDS driver board

PCI-PTA Card

GPIB

100 foot twisted cable

200 MeV

Protons

Concrete walls

Devices Under Test

• Test fatti in aria.• No filtri.• Flusso=2·1010pcm-2s-2

• 1.5cm beam (90%) misurato con film sensibile• Allineamento Laser • Monitoraggio con video remoto.• Dosimetria :

• Coppa di Faraday • SEEM


Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mEffetti dose totale: Risultati

Distribuzione del rumore tra celle del chip piu’ irragiato

Distribuzione di soglia tra celle del chip piu’ irragiato

Tutte le 4032 celle testate di Front-End hanno funzionato prima e dopo l’irraggiamento.


Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 m Effetti dose totale: Risultati

Time walk dopo l’irragiamento.

Qover-drive=150e-

TW = 130 ns

Non linearita’ del DAC che stabilisce la soglia del chip per diverse dosi


Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mSingle Event Effect

Adroni producono particelle secondarie di piccolo range e elevata carica rilasciando una grande energia.

A) Gate Rupture (SEGR): Danneggiamento totale o parziale del dielettrico del gate a seguito di una moltiplicazione a valanga.

B) Latch-up (SEL): Accensione di un MOS (parassita)che produce una elevata corrente.

C) Upset (SEU): Cambiamento di uno stato in corrispondenza di un nodo circuitale sensibile

Bit flip: 1 0

Short Circuit!


Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 m Single Event Effect : Risultati

• Nessun evento catastrofico (gate rupture, latch up…) osservato– Il rate e’ garantito essere accettabile per BTeV.

• Sezione d’urto d’errori logici soft (single event upset) misurata

• da 1 a 6x10-16 cm2bit-1 per registri statici.• circa 2x10-15cm2bit-1 per registri a 140 MHz di clock

Rate di SEU in un ora nello intero rivelatore di vertice a pixel alla luminosita’ nominale di L=2x1032cm-2s-1.

Non c’e bisogno di logica ridondante o altre complicazioni


Pixel a FNAL – Resistenza alla radiazioneRivelatore rad-hard

preFPIX2Tb

Xray sources [e-] Tb, Ag, Rb

Pulser relative calibration [V] CiS-moderated-pspray


Pixel a FNAL – StatusSensori a pixel per BTeV

Tesla moderated p-spray• sviluppati dalla collaborazione ATLAS

Il substrato di Silicio e’ ossigenato• Danneggiamento rispetto a protoni diminuisce (ROSE:RD48)

Ogni wafer contiene:• 1 sensori a “4-chip”• 3 sensori a “6-chip”• 3 sensori a “5-chip”• 2 sensori a “8-chip”• 5 sensori a “1-chip”


Pixel a FNAL – StatusFPIX2 chip

• FPIX2 verra’ sottomesso alla fine del mese (Oct. ‘02):– TSMC (Taiwan Semic. Man. Corp.)– 0.25um CMOS, 5 metalli, 2.5V.– Layout “Rad-Hard”.– Dimensioni e funzionalita’

richieste da BTeV.

• La sottomissione e’ basata sugli ottimi risultati dei piccoli prototipi realizzati e testati.

• 1 riga di 70 pad per lo “wire bonding”.

• Numero di identificazione del chip sul modulo fatto con “bond pad” interni.

22 cols by 128 rows

Test outputs

Chip periphery

Internal bondpads for Chip ID


Conclusioni1. BTeV e’ un esperimento tecnologicamente aggressivo ma fattibile con la

tecnologia esistente.2. Sostanziali R&D sono avviati in tutte le componenti di BTeV, in

particolare in parti cruciali dell’esperimento quali i pixel, il Trigger di 10L e il calorimetro e.m.

3. Test su fascio dei vari rivelatori alla “Meson area” del Fermilab dagli inizi del 2003.

4. Prototipi di rivelatori a pixel, soddisfacenti alle richieste di BTeV, sono stati realizzati a FNAL :

» Elevata risoluzione spaziale.» Resistenza alla radiazione.» Elevata velocita’ di lettura.

• Ora e’ necessario affrontare le problematiche relative alla costruzione ed integrazione di un rivelatore esteso, completo e robusto.

• “Yield” delle sue varie componenti.• Un leggero e retrattile supporto meccanico e di raffredamento da

installare e cablare in alto vuoto.

BTeV aspetta l’approvazione finale dal DOE nel 2003BTeV aspetta l’approvazione finale dal DOE nel 2003

L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio Gabriele Chiodini Fermi...

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