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

Paolo Checchia CSNI

Brevi richiami di fisica

Paolo Checchia CSNI

Condizioni dalla macchinaTESLA DAQdifferenza fondamentale per il rivelatoreconemitt., fun. di bet, fascio-fascio*y*xcoda di bassa energia

Concetti generali del RivelatoreEuAmAs

TESLA TDRSD

Paolo Checchia CSNI

Tracking: Rivelatore di verticeTESLAconfigurazioni per tutte le tecnologie ( e tutte le regioni): Pixels (3D) 1 Gpixelstrato interno vicino P.I..5 strati per tracciamento indipendenteSpessore strati 0.1 X0 Precisione punto < 5 m/stratoBuon rapporto segnale/rumoreSufficiente una resistenza alle radiazioni modesta

Paolo Checchia CSNI

silicio senza supporto pixels segnali con lettura alternata: divisione capacitiva della caricao Monolitic Active Pixel Sensors

Paolo Checchia CSNI

TPCamplificazione:problemi con MWC (ExB, ioni,spessore end plate) soluzioni: GEM, MicromegasGEMtracce 3 d, no P.R.

Calorimetriavisione generale**E/E= 60%x0 +25%x10%/E +10%x80%/E + confusione

Paolo Checchia CSNI

SiWSiW per SD+ altre soluzioni

Paolo Checchia CSNI

TESLAJLC

Calorimetria: Regione in avantiscopo: L/L10-4L*=3mL*=5mSiWSiW o Diamanti/W o Cristalli

Paolo Checchia CSNI

Magnete e rivelatori di muoni

Paolo Checchia CSNI

Situazione generale R&DEuropaGermaniaMAPS DEPFET TPC CALICE DESY PRC: CALO (LCCAL, CALICE, Forward)Vertex (CCD, MAPS, DEPFET)Tracking (TPC, SI-Envelope)TOT ~200 K+DESYFrancia MAPS CALICETOT ~500(?) KUK LCFI-CCD (1 M) CALICE (490 K 03/04 280 04/05)+ richiesta 18 M per Beam Delivery SystemAltri (Russia R.Ceka) ~30 K +INTASItalia Mimosa(20 K) LCcal (0 K) CAPIRE (56 K 03 111 K 04)

Situazione generale R&DUSA FY2003 LinearColliderRD working group (DOE ): 1 vtx 6 tracking6 calorimetri2 Tot 412 K$ UniversityConsortium for LinearCollider RD (NSF)2 vtx 5 tracking5 calorimetri1 Tot 150 K$ (con R&D acceleratore)USA FY2004LCRD 500K$ (?)UCLC >>2003 (? richiesto 1 M$)

R&D verticetecnologie

tecnologiePunti criticiStato dellarteAltri vantaggiCCD (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 lupgrade del VTX di STAR (2006)

tecnologie

tecnologiePunti criticiStato dellarteAltri vantaggiDEPFET(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 resistivitaSOI (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 veociunisce I vantaggi dei CMOS e dei rivelatori a svuotamento totale

M.Caccia

tecnologie

tecnologiePunti criticiStato dellarteAltri vantaggiHAPS(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

M. Caccia

Attivita di R&D in corso

tecnologieCollaborazionePiano temporaleFinanziamentoCCDLCFI (U.K. only)2001-2005~ 1 MEUR/annoCMOS PRC R&D : Francia (LEPSI + IRES + CEA), UK (RAL), Switzerland (Geneve), Olanda (NIKHEF) SUCIMA: Italia (Insubria), Francia (LEPSI), Germania (Karlsruhe), Svizzera (Geneve), Polonia (Cracovia, Varsavia) Mimosa gr 5 Roma III 2001-20042001-2004???~ 400 kEUR/anno~ 400 kEUR/anno~20 kEURDEPFETGermania (Bonn, Monaco, Manheim)?????????????SOI SUCIMA2001-2004~500 kEUR/annoHAPSItalia (Como) + Polonia (Cracovia + Varsavia)Nessun progetto attualmente in corso-

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%

JLC Detector R&D3.1) 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

Jim Brau Amsterdam April 4 2003

Gaseous TrackingR&D Tracking

R&D calorimetriCALICE: collaborazione che unisce calorimetro elettromagnetico SiWFrancia, UK nessun test(ancora), molto lavoro di ingegnerizzazione calorimetro adronico tiles (!?)DESY, Russia molto lavoro per lottimizzazione della luce, realizzato prototipocalorimetro adronico digitalemolte idee per parte attiva del rivelatore (anche in US): GEM, RPC, camere..Questione fondamentale: se la granularit necessaria, qual il modo migliore per realizzarla?

Paolo Checchia CSNI

ECAL general view3rd structure (31.4mm of W plates)370 mm180 mmSilicon wafer2nd structure (21.4mm of W plates)VME/HCALVFEMovable tableECALBeam monitoringGlobal view of the test beam setup BEAM1st structure (1.4mm of W plates)Detector slab 370 mmPrototype overview

J.C. Brient Amsterdam 4-4 2003

The actual achieved LY for the TFS, Kuraray, WLS-fibre3M-Super Radiant ReflectorScintillator BC-408,All together: 100% reflectivity at fibre end22+/-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

V. Korbel Amsterdam 2003

Altra Soluzione Ecal: LCCAL 45 strati25x25x0.3 cm3 Pb25x25x0.3 cm3 Scintill. 25, Celle 5x5 cm23 piania 2, 6, 12 X0252 0.9x0.9 cm2 Pad di Si

(Como, LNF, Padova, Trieste)

Paolo Checchia CSNI

PMsScintill.Piani Si Fibre con la struttura disupporto PMLCCAL in test @ BTF (Frascati) Fibre nel collettoredi fronte ai PMsLCCAL

Paolo Checchia CSNI

EEEbeam (MeV)11.5%ENphe>5.1 /layer Cal(45 layers) ~ 250 MeV/Mip ~ 800Npe/GeVNon uniformit della luce

EE Cern TB 2003 Lccal: risoluzione in Energia e linearitEbeam (GeV)11.1%EEcal (GeV)e-/pm saturaconfermata ad alta energia !!!Si PADScalorimeterEbeam (GeV)Ecal (GeV)cont. ADC

Lccal: Si pads5 GeV e-profilo sui piani di PADRisultati preliminari pi che soddisfacentiPRC a DESY 30-10-03

CAPIREdati: cosmici e BTF

CAPIREHVHVHVHVRateRate

Paolo Checchia CSNI

CAPIRE

Calorimeter Detector R&D in N. AmericaALCPG Calorimeter Working Group:R. Frey/A. Turcot/D. Chakraborty

Jim Brau Amsterdam

JLC Detector R&D3.4) 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.)

Jim Brau Amsterdam April 4 2003

La lunga via per un LClastricata di comitati

B. Foster ECFA

La lunga via per un LC.passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003)

Paolo Checchia CSNI

La lunga via per un LC.passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare:

The Rankings for R&DRanking 1Ranking 2Ranking 3Ranking 4R&D needed for feasibility demonstration of the machinewhat you must do before you can honestly say the machine will work (proof of principle)

N. Walker Amsterdam 2003

Rankings Score Sheet Building and testing of a cryomodule at 35 MV/m and measurements 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

Paolo Checchia CSNI

La lunga via per un LC.passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare: International group of funding agencies:

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.

La lunga via per un LC.passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare: International group of funding agencies: ILCSC: riunione di Agosto 2003

futuro

Paolo Checchia CSNI

La lunga via per un LC.passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare: International group of funding agencies: 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 ItalianaWorking group internazionaleINFN: 1 contact p. Nuovo ciclo di studio ECFAINFN: 1 org. comm.

Incontri previsti 2003/2005Gruppi di Fisica eSudio del Rivelatore: INFN: 4 coordinatori sperimentali da Bologna, Como, Milano, LNF, Padova, Torino, TriesteRicerca e sviluppo di rivelatori

Paolo Checchia CSNI

Conclusioni Fisica di alta precisione richiede Rivelatore di alta precisione La quantit di risorse per R&D Rivelatore ( ma non solo ) in aumento Non cos in Italia Programmi di sviluppo interessanti Consenso internazionale su macchina a 500 GeV (x 2)ma. la strada per ottenere la macchina tuttaltro che facile e ben definita

Paolo Checchia CSNI

Appendice

Paolo Checchia CSNI

p (GeV)

Paolo Checchia CSNI

Prestazioni: identificazione saporimassa del vertice5 strati4 strati,spessore doppiouso di reti neurali:c b bckg

Paolo Checchia CSNI

Paolo Checchia CSNI

Resultsfrom Russian groups

Paolo Checchia CSNI

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/m2

Rate capability, Hz/m2

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

Test beam: preliminary results*Two electrons with energy 750 MeVX silicon chambersY silicon chambersFirst layerSecond layerThird layerCluster recognition*Plots filled only with pads with SNR>10s

Government Decision on LC

A. Wagner Amsterdam 2003

R&D in ItaliaMimosa(20 K) LCCAL (0 K) CAPIRE (111 K)

Paolo Checchia CSNI