Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI1 Linear Collider :R&D per rivelatori e prospettive...

Lecce 26 Settembre 2003 Paolo Checchia CSNI 1

Linear Collider:R&D per rivelatori e

prospettiveSommario• Brevi richiami di fisica

• Condizioni dalla macchina

• Concetti generali del rivelatore

• Proposte di rivelatori

• Situazione generale R&D

• R&D vertice+tracking

• R&D calorimetri/

• LC: Percorso presente-futuro


Brevi richiami di fisica

Lecce 26 Settembre 2003 3

Condizioni dalla macchina

TESLA DAQ

differenza fondamentale per il rivelatore

con

emitt., fun. di bet, fascio-fascio

*y*x

coda di bassa energia


Concetti generali del Rivelatore

Eu Am As


TESLA TDR

Quadrant View

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

0.000 2.000 4.000 6.000 8.000

m

m

Beam Pipe

Ecal

Hcal

Coil

MT

Endcap

Endcap_Hcal

Endcap_Ecal

VXD

Track Angle

Endcap_Trkr_1

Endcap_Trkr_2

Endcap_Trkr_3

Endcap_Trkr_4

Endcap_Trkr_5

Trkr_2

Trkr_3

Trkr_4

Trkr_5

Trkr_1

Coil

SD


Tracking: Rivelatore di vertice

TESLA

configurazioni per tutte le tecnologie ( e tutte le regioni):

• Pixels (3D) 1 Gpixel

•strato interno vicino P.I..

•5 strati per tracciamento indipendente

•Spessore strati 0.1 X0

•Precisione punto < 5 m/strato

•Buon rapporto segnale/rumore

•Sufficiente una resistenza alle radiazioni modesta


silicio senza supporto

• pixels

segnali con lettura alternata: divisione capacitiva della carica

o Monolitic Active Pixel Sensors


TPCamplificazione:problemi con MWC (ExB, ioni,spessore end plate) soluzioni: GEM, Micromegas

GEM

tracce 3 d, no P.R.


Calorimetria

visione generale

*

*E/E=

60%x0 +25%x10%/E +10%x80%/E + confusione


SiWSiW per SD

+ altre soluzioni

11

TESLA JLC


scopo: L/L10-4

L*=3mL*=5m

SiW

SiW o Diamanti/W o Cristalli

Calorimetria: Regione in avanti


Magnete e rivelatori di muoni

14

Situazione generale R&DEuropa

•GermaniaMAPS DEPFET TPC CALICE DESY PRC: CALO (LCCAL, CALICE, Forward) Vertex (CCD, MAPS, DEPFET) Tracking (TPC, SI-

Envelope) TOT ~200 K€+DESY

•Francia MAPS CALICE TOT

~500(?) K€

•UK LCFI-CCD (1 M€) CALICE (490 K€ 03/04 280 04/05) + richiesta 18 M€ per Beam Delivery System

•Altri (Russia R.Ceka…) ~30 K€ +INTAS

•Italia Mimosa(20 K€) LCcal (0 K€) CAPIRE (56 K€ 03 111 K€ 04)

15

Situazione generale R&DUSA FY2003• LinearColliderRD working group (DOE ): 1 vtx 6 tracking 6 calorimetri 2

Tot 412 K$

• UniversityConsortium for LinearCollider RD (NSF)2 vtx

5 tracking 5 calorimetri 1

Tot 150 K$ (con R&D acceleratore)

USA FY2004

•LCRD 500K$ (?)

•UCLC >>2003 (? richiesto 1 M$)

R&D vertice

tecnologie Punti critici Stato dell’arteAltri vantaggi

CCD (monolitico, substrato a bassa resistivita’)

• aumentare la velocita’ di lettura di un fattore 1000:

– parallel column readout– aumento del clock a 0.5, 5 ed infine 50 MHz

• radiation hardness, garantita a 109 n/cm2

• primo prototipo di parallel column readout a 0.5 MHz in fase di test• studi di assottigliamento

• il rivelatore per il LC e’ “solo” un fattore 3 superiore a quello di SLD in numero di pixel (esiste un know-how nella system integration)

CMOS (monolitico, substrato a bassa resistivita’)

• valutazione di diverse architetture:

– parallel column readout– on-pixel signal processing & sparsification

• continuo adattamento alle nuove tecnologie (diminuzione dello spessore dello strato epitassiale)• valutazione di architetture che NON richiedano substrato epitassiale (PhotoFet)

• primo prototipo di un sensore in scala 1:1 esistente• resistenza alle radiazioni garantita a 1011 n/cm2

• prototipi di PhotoFET in fase di test)• assottigliamento a 50 m in corso)

• eredita gli sviluppi dei CMOS per imaging nel visibile• tecnologia prescelta per l’upgrade del VTX di STAR (2006)

tecnologie

M.Caccia 17


DEPFET(monolitico, substrato ad alta resistivita’)

• implementazione di un parallel column readout a 50 MHz• studi di resistenza alle radiazioni• rendimento di processo su matrici in scala 1:1

• prototipi di 64 x 64 pixel funzionanti• matrice di 128x64 pixel con parallel column readout in fase di produzione• assottigliamento a 50 m in corso)

Substrato ad alta resistivita’

SOI (monolitico, substrato ad alta resistivita’)

• attualmente nella prima fase di sviluppo: funzionalita’ ancora da dimostrare• sviluppo attuale in una tecnologia “primitiva” (3 m) che non consente passi inferiori a 200 m

• tecnologia messa a punto• Prototipi su substrato a bassa resistivita’ funzionanti• architettura di front-end validata • batch su substrato ad alta resistivita’ in fase di produzione

• eredita gli sviluppi dei CMOS per imaging + SOI per dispositivi “veoci”•unisce I vantaggi dei CMOS e dei rivelatori a svuotamento totale

tecnologie

M. Caccia 18


HAPS(ibrido, substrato ad alta resistivita’; accoppiamento capacitivo tra pixel adiacenti)

• assottigliamento a 0.1% X0

• risoluzione a 3 m• al momento, nessuno sviluppo per un front-end chip dedicato

• prototipi con passo di lettura 200 m e passo di impiantazione 50 m testati• prototipi con passo di lettura variabile ed impiantazione di 25 x 50 m2 realizzati e testati elettricamente

• eredita il know-how di LHC/BTev

tecnologie

Attivita’ di R&D in corso

tecnologie CollaborazionePiano temporale

Finanziamento

CCD LCFI (U.K. only) 2001-2005 ~ 1 MEUR/anno

CMOS

1. PRC R&D ¼: Francia (LEPSI + IRES + CEA), UK (RAL), Switzerland (Geneve), Olanda (NIKHEF)

2. SUCIMA: Italia (Insubria), Francia (LEPSI), Germania (Karlsruhe), Svizzera (Geneve), Polonia (Cracovia, Varsavia)

3. Mimosa gr 5 – Roma III

1. 2001-20042. 2001-20043. ???

1. ~ 400 kEUR/anno

2. ~ 400 kEUR/anno

3. ~20 kEUR

DEPFETGermania (Bonn, Monaco,

Manheim)??????? ??????

SOI SUCIMA 2001-2004~500

kEUR/anno

HAPSItalia (Como) + Polonia

(Cracovia + Varsavia)

Nessun progetto attualmente in corso

-

20

Il prototipo attualmente piu’ avanzato:MIMOSA-V, realizzato da LEPSI (Strasbourg)

• 0.6 m AMS process• risoluzione 1.7 m • dispersione dei guadagni ~ 2%• efficienza 99.3%

Jim Brau Amsterdam April 4 2003

21

JLC Detector R&D– 3.1) Vertex Detector

• a) done or finishing soon – excellent spatial resolution (plot)– room-temperature operation (good S/N by Multi-Pinned Phase operation) – radiation hardness measurement : 90Sr, 252Cf, electron-beam irradiation=in analysis

• b) in progress or to do – CTI improvement : two-phase clocking, thermal charge injection, notch structure

(plot)– fast readout : test-board fabrication in progress – thinned CCD (20micrometer) : flatness, stability, reproducibility – precise estimation of background by a full simulation with detailed beamline

components

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Gaseous Tracking

R&D Tracking


R&D calorimetri

CALICE:

collaborazione che unisce

•calorimetro elettromagnetico SiWFrancia, UK… nessun test(ancora), molto lavoro di ingegnerizzazione

•calorimetro adronico tiles (!?)

DESY, Russia… molto lavoro per l’ottimizzazione della luce,

realizzato prototipo

•calorimetro adronico digitalemolte idee per parte attiva del rivelatore (anche in US):

GEM, RPC, camere..

Questione fondamentale: se la granularità è necessaria, qual è il modo migliore per realizzarla?

J.C. Brient Amsterdam 4-4 2003 24

ECAL general view

3rd structure (3×1.4mm of W plates)

370 mm

180 mm

Silicon wafer

2nd structure (2×1.4mm of W plates)

VME/…

HCAL

VFE

Movable table

ECALBeam

monitoring

Global view of the test beam setup

BEAM

1st structure (1.4mm of W plates)

Detector slab

370 mm

Prototype overview

V. Korbel Amsterdam 2003

The actual achieved LY for the TFS, Kuraray, WLS-fibre

3M-Super Radiant Reflector

Scintillator BC-408,

All together: 100% reflectivity at fibre end

Treatment direction

22+/-1.5 pe (BC-408, Aug. 2002)

>> 26 (new results from ITEP)•both Russian scintillators have ~ 2/3 of BC-408 LY•~20% more LY can be expected by improving polishing of WLF-fibre end,•no gluing needed anymore

Light yield/tile


Altra Soluzione Ecal: LCCAL

•45 strati

•25x25x0.3 cm3 Pb

•25x25x0.3 cm3 Scintill. 25, Celle 5x5 cm2

•3 piani

•a 2, 6, 12 X0

•252 0.9x0.9 cm2 Pad di Si

(Como, LNF, Padova, Trieste)


PM’s

Scintill.Piani Si

Fibre con la struttura disupporto PM

LCCAL in test @ BTF (Frascati)

Fibre nel collettoredi fronte ai PMs

LCCAL


Buona linearità vs molteplicità

3 e- 2 e- 1 e- E

E

Ebeam (MeV)

11.5%E

Nphe>5.1 /layer →Cal(45 layers) ~

250 MeV/Mip ~ 800Npe/GeVNon uniformità della luce << 20% OK also @ BTF (E ~500 MeV)

Cern

TB 2002

1. Stat. fotoel. Trascurabile

2. Term. stoc. 11.5% come in MC

3. Uniformità raccolta luce a livello < 10%. Effetti sulla resoluzione da valuatare al

SPS Agosto 2003

Lccal: risoluzione in Energia e linearità

BTF test


EE

Cern TB 2003

Lccal: risoluzione in Energia e linearità

Ebeam (GeV)

11.1%EEca

l (G

eV)

e-

/

pm saturaconfermata ad alta energia !!!

Si PADS calorimeter

Ebeam (GeV)

Ecal (GeV)cont. ADC

Lccal: Si pads

5 GeV e-

profilo sui piani di PAD

Risultati preliminari più che soddisfacentiPRC a DESY 30-10-03

31

CAPIRE

dati: cosmici e BTF


CAPIRE

HV HV

HV HV

Rate Rate

33

CAPIRE

Jim Brau Amsterdam 34

Calorimeter Detector R&D in N. America

ALCPG Calorimeter Working Group:R. Frey/A. Turcot/D. Chakraborty

Jim Brau Amsterdam April 4 2003

35

JLC Detector R&D

– 3.4) Calorimeter

• a) done or finishing soon – hardware compensation, energy response linearity, energy resolution

(stochastic term) (plot) – machine-ability of tiny tiles, assemble-ability – performance of WLS-readout SHmax

• b) in progress or to do – granularity optimization with a full simulation – photon yield and non-uniformity improvement for RectTile EMcal – performance study of strip-array EMcal : beamtest, simulation, ghost-

rejection (plot) – direct-APD-readout SHmax – photon detectors (multi-channel HPD/HAPD, EBCCD etc.)

B. Foster ECFA

La lunga via per un LC

lastricata di comitati

International. Comm. ForFuture Accelerators

ICFA

European Comm.for Future Acceler.

Asian Comm.for Fut. Acc.

US HEPAdv. Panel

Techn. Rev.Committee

International LCSteer. Comm.

ILCSC

European LCSteering Comm.

Asian LC Steering Comm.

US LC Steering Comm.

AcceleratorSub panel

Sub Group on Organ.& Manag.

Physics&Detectors

Outreach

+ altri


…….passato

• ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003)


…….passato


• ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare:

N. Walker Amsterdam 2003

The Rankings for R&D

• Ranking 1

• Ranking 2

• Ranking 3

• Ranking 4

R&D needed for feasibility demonstration of the machine

what you must do before you can honestly say the machine will work (proof of principle)


Rankings Score SheetTESLA JLC-C JLC-X/NLC CLIC Common

Ecm 500 800 500 500 1000 500 3000

R1 0 1 2 2 0 5 2 0

R2 7 4 2 3 0 6 2 8

R3 10 3 3 11 0 5 0 19

R4 1 0 1 2 2 0 0 8

Building and testing of a

cryomodule at 35 MV/m and measurement

s of dark current

•Test of complete accelerator structure at design gradient with detuning and damping, including study of breakdown and dark current

• Demonstration of SLED-II pulse compressor at full power


…….passato



• International group of funding agencies:

43

International*group of funding agencies"the Halliday panel"

30 Luglio 2003 meeting a Londra “to discuss the status and funding prospects for a linear collider of 0.5 – 1TeV”

“three distinct phases of a proposed LC project, with decision points between …. a) an R&D phase….by the end of which the main technology choices would be made, b) an engineering design phase, the output of which would be the optimised technologies and a fully costed construction proposal , and c) a construction phase.”

*Canada (NSERC), CERN (President of Council and DG), France (CNRS), Germany (BMBF), Italy (INFN), UK (PPARC), and the US (DOE, NSF, OSTP).

“the initial R&D design phase could be funded through existing funding routes and structures in the participating states with a light coordination. However..”

“concurrent running of a LC with the LHC …a LC in 2015 could provide 5 years of concurrent running …importance of maintaining a viable community of physicists and engineers who would ensure the vitality of the field in future.” “ the technology choice report to be made by the International Committee for Future Accelerators (ICFA) group should be completed in a timely manner, on its proposed timescale by the end of 2004”

the choice of site should be made as early as possible in the engineering design phase.


…….passato




• ILCSC: riunione di Agosto 2003 futuro


…….passato




• ILCSC: riunione di Agosto 2003 futuro

• Panel di 12 saggi per prendere la decisione sulla tecnologiada nominare entro il 2003che deve decidere entro il 2004


Studi per il Linear Collider: Partecipazione Italiana

•Working group internazionale INFN: 1 contact p.

•Nuovo ciclo di studio ECFA INFN: 1 org. comm.

Incontri previsti 2003/2005

Gruppi di Fisica e

Sudio del Rivelatore: INFN: 4 coordinatori

sperimentali da Bologna, Como, Milano, LNF, Padova, Torino, Trieste

•Ricerca e sviluppo di rivelatori


Conclusioni

• Fisica di alta precisione richiede

• Rivelatore di alta precisione

• La quantità di risorse per R&D Rivelatore ( ma non solo ) in aumento

• Non così in Italia

• Programmi di sviluppo interessanti

• Consenso internazionale su macchina a 500 GeV (x 2)

ma….

la strada per ottenere la macchina è tutt’altro che facile e ben definita


Appendice


p (GeV)


vertice topologico

M

massa del vertice

Prestazioni: identificazione sapori

5 strati 4 strati,spessore doppio

uso di reti neurali:

c b bckg


Resistive Plate: Glass or Bakelite

HV

Gas

Pick-up pad(s)

Graphite

Mylar

RPC’s design in US groups

№ Item avalanche streamer 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Working mixture HV working point, kV Induced charge, pC Threshold on 50, mV Efficiency, %

Q / Q Pad multiplicity Noise, Hz/сm2 Rate capability, Hz/сm2 Ageing effects

TFE/Iso/SF6=93/5/2 8.4 3.4 1-2 >99 ~ 1 1.5

~ 0.5 300 no

TFE/Iso/Ar=85/10/5 7.0 300

50 - 200 ~95

~ 0.6 1.4 - 1.5

~ 0.1 4 - 5

observed

Results

from Russian groups

55

Test beam: preliminary results*Two electrons with energy 750 MeV

X silicon chambers

Y silicon chambers

First layer

Second layer

Third layer

Cluster recognition

*Plots filled only with pads with SNR>10

A. Wagner Amsterdam 2003 56

Government Decision on LC


R&D in Italia

Mimosa(20 K€) LCCAL (0 K€) CAPIRE (111 K€)

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