Idee INFN per l’up-grade di CMS per il 2008 Contenuto:  Organizzazione di CMS per l’upgrade  Esigenze di R&D per il nuovo tracciatore  Piano di attività.

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1 Idee INFN per l’up-grade di CMS per il 2008 Contenuto:  Organizzazione di CMS per l’upgrade  Esigenze di R&D per il nuovo tracciatore  Piano di attività 08 e richieste per il tracciatore  Piano di attività 08 e richieste per il sistema dei muoni  Proiezione di spesa nei prossimi anni

2 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/072 1) i motivi tecnici e fisici che giustificano SLHC ( L = 10 35 cm -2 s -1 ) 2) i livelli di radiazione nelle zone del rivelatore 3) l’esigenza di rifare il tracciatore, ma indicherò brevemente gli R&D necessari su: a)Sensori b)Elettronica c)Sistema d)Trigger 4) l’esigenza di upgrade degli altri sistemi concentrandomi sugli aspetti CMS-INFN per il 2008. Ho preparato questa presentazione assumendo noti, perchè già discussi in CSN1,vedi: http://www.infn.it/csn1/riunioni/agenda/2006/11-01-2006/depalma_CSN1_gen06.ppt http://www.infn.it/csn1/riunioni/agenda/14-11-2005/file/depalma_CSN1.ppt Introduzione

3 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/073 CMS verso SLHC E’ stato istituito gia dalla fine del 2005 SLHC Upgrade Steering Group Electronics Coordinator Jordan Nash (Chair) Tracker Geoff HallPixel Roland Horisberger ECAL Philippe BussonHCAL Drew Baden Muon Carlos Wilmott (P. Zotto)Trigger Wesley Smith Physics Darin AcostaMicroelectronics A- Marchioro Optoelectronics Francois Vasey Ex-Officio: Spokesperson, Deputy Spokesperson, Technical Coordinator, Deputy TC Compiti del gruppo: –Definire proposte generali di R&D –Organizzare SLHC workshops –Collegamento con attività correnti della collaborazione –Interazioni/Coordinamento con la Macchina e ATLAS –Riportare i progressi al Management Board/CB –Definire un percorso per approvare le proposal di R&D prima di inoltrare richiesta di finanziamento (aggiunta da J.N. al MB del 4/6/07)

4 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/074 CMS SLHC Workshops Si sono svolti 4 workshops negli ultimi 3 anni I – Feb. 2004 CERN http://agenda.cern.ch/fullAgenda.php?ida=a036368http://agenda.cern.ch/fullAgenda.php?ida=a036368 II - Lug 2004 Imperial College http://agenda.cern.ch/fullAgenda.php?ida=a041379http://agenda.cern.ch/fullAgenda.php?ida=a041379 III - Lug 2005 CERN http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=a053123http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=a053123 IV - Apr 2006 Perrugia http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=a06865 SCOPO: stabilire le richieste di upgrades dei sub-detectors identificare gli R&D necessari preparare le potenziali linee degli upgrade Questo ha portato alla EoI CERN/LHCC 2007-014 Joint Workshop con ATLAS sull’ elettronica Marzo 07 http://aces.web.cern.ch/aces/http://aces.web.cern.ch/aces/ WG per la Road Map INfN Aprile 06 http://www.infn.it/csn1/roadmap/slhc.pdf/http://www.infn.it/csn1/roadmap/slhc.pdf/

5 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/075 EoI Contents 1 Introduction p 3-10 2 Tracker Upgrades for SLHC p 11-21 3 SLHC Trigger and Data Acquisition p 21-28 4 Upgrades to the Calorimeters p 29-32 5 Upgrades to the Muon Systems p 33-34 6 Project Office p 35-36

6 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/076 Un possibile nuovo tracciatore 1.Parte interna (R< 60cm)  Pixel layers Pixel 0 - 1 layer a raggio di circa 4 cm (?) –Nuova tecnologia o cambio frequente del detector. Pixel 1 - 2 layers a 8 e 12 cm (necessitano R&D) ‾Nuovi ss pixel detectors, (epitasiali, n on p su MCZ) ‾Pixel area ~ 50 mm x 110 mm Pixel 2 - 2 layers a 18 e 22 cm (necessitano studi ulteriori) –Attuali pixel su MCZ, n on p su MCZ –Pixel area ~ 150 mm x 650 mm Pixel 3 - 3 Layers 30, 40 e 50 cm (necessitano studi ulteriori) −Macro pixel of 1 mm x 1 mm/ Micro strips of 200 mm x 5 mm 2. Parte Esterna ( R> 60cm)   strip layer Strip System 3-4 Layers fra 60 e 110 cm -Simili agli attuali 3.Some triggering layers.  1 strato solo Pt cut oppure 2 layers per la misura del Pt?  o in alternativa un sistema hardware per al completa pattern recognition?

7 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/077 Argomenti da affrontare per il tracciatore (I) Sensori: –Substrato p-type FZ, p-type (n-type) MCz, epitassiali…… –Performance I leak ( ~ strip length, thickness, particle fluence) Charge collection, high bias voltage, S/N –Struttura Pixel, pixel 3D, short strips, stripxel, Maps… –Power dissipation –Processo produttivo Elettronica –Very rad-hard –Tecnologia e disegno 0.13 µm or smaller CMOS for Pixel, BiCMOS e CMOS per strips: –Data rate / opto-links: –Power scheme/dissipation –Trigger

8 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/078 Argomenti da affrontare per il tracciatore (II) Sistema –Material budget –Dimensioni sensor size, pitch, numeri di differenti tipi di moduli,…. – handling Facilità di handling per produzione presso industrie? Definizione di unità minima: Module or Stave? –Module construction –Integration –Cost

9 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/079 Necessità del tracker nel trigger A SLHC, si deve incrementare la risoluzione del Level-1 Trigger probabilmente con l’uso del Tracker già al Level-1. Si deve tenere ~ la stessa trigger rate, nonostante un aumento di un fattore 10 della event rate, senza tagliare eventi interessanti.

10 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0710 Un approccio: coppie di piani di sensori, per una misura locale del Pt L’angolo  determina il p T ( tracce ad alto Pt puntano verso il vertice, tracce a basso lontano dal vertice) R1 = 10 cm ? R1 = 20 cm ?  R pochi mm Da studiare; complessità,pixel?,Maps?, Potenza, connessioni, controlli,

11 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0711 Un approccio più conservativo con AM (come SVX in CDF) Richiede: dei pixel layer con lettura digitale

12 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0712 Calorimeters/Muons ECAL –Crystal calorimeter electronics designed to operate in SLHC conditions –VPT in Endcap and Endcap crystals themselves may darken at SLHC Very difficult to replace HCAL –HF may be blocked by potential changes to the interaction region –This has a direct impact mainly in the case of looking for WW scattering Both Calorimeters suffer degraded resolution at SLHC –affects electron ID, Jet resolutions MUON –system front end electronics look fairly robust at SLHC Cathode Strip Chambers/RPC Forward : Drift Tubes /RPC Barrel Trigger electronics for the muon systems would most likely need to be replaced/updated –Some Electronics is “less” radiation hard ( FPGA) –Coping with higher rate/different bunch crossing frequency –May have to limit coverage in  (  > 2) due to radiation splash This effect will be known better after first data taking, potential additional cost of chamber replacement By J. Nash - LHCC88 CMS Upgrades

13 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0713 Roadmap for tracker/trigger upgrades Within 5 years of LHC start –New layers within the volume of the current Pixel tracker which incorporate some tracking information for Level 1 Trigger Room within the current envelope for additional layers Possibly replace existing layers –“Pathfinder” for full tracking trigger Proof of principle, prototype for larger system –Elements of new Level 1 trigger Utilize the new tracking information Correlation between systems Upgrade to full new tracker system by SLHC (8-10 years from LHC Startup) –Includes full upgrade to trigger system By J. Nash - LHCC88 CMS Upgrades

14 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0714 CMS Detector Replacements Inner Tracker30 MChf Outer Tracker90 MChf Level 1 Trigger20 MChf DAQ10 MChf Other Front Ends10 MChf Infrastructure15 MChf Total175 MChf By J. Nash - LHCC88 CMS Upgrades

15 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0715 CMS tracker vs SLHC Iniziata formalmente con un Tracker Upgrade Workshop 8-9 February 2007 http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=12094 con lo scopo:Tracker Upgrade Workshop http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=12094 - fare il punto delle attività R&D in corso - esprimere interesse per futuri R&D finalizzati al nuovo tracker - coordinare e convogliare gli R&D su linee comuni - confrontare punti di vista diversi (i.e. trigger/layout) - darsi un organizzazione e definire come procedere Altri meeting: 8 Marzo Tracker Readout, 22 Marzo Simulations, 23 Marzo Sensors, 7 Giugno Simulation meeting,……..(next 19 Luglio Trigger, 2 Agosto Sensors ……..mensilmente)

16 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0716 Attività gruppi INFN per 2008 Nell’ ambito di quanto descritto, l’attività dei gruppi INFN di CMS nel 2008 si indirizza;  per tracker  sui sensori  sull’elettronica e trigger  sulla simulazione e definizione del sistema (questa attività è stata discussa nella collaborazione ed è in linea sia con l’attività di CMS e sia con quanto previsto dalla Road Map INFN)  per i muoni  sull’ elettronica e trigger DT  sul sistema RPC (i muoni non hanno ancora una struttura per l’upgrade e qui sono presente delle novità, ancora non note a CMS, rispetto a quanto previsto dalla Road Map INFN)

17 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0717 Attività sui Sensori Le attività previste riflettono interessi e R&D pregressi e si articoleranno su: 1. Una linea conservativa che traduce nelle esigenze di CMS i risultati (ancora non completi) conseguiti da SMART/RD50. a)Realizzazione di pixel e micro-strip detector su MCZ (on n/p type). (main stream del consorzio) b)Realizzazione di pixel “multigeometry” su spessori < 300  m Queste linee sono complementari e integrabili una proposta di R&D per il “sistema tracker” a cui stiamo lavorando 2. Una linea innovativa di R&D su SoI e Vertical Scale Integration

18 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0718 Obiettivi attività sui sensori “conservativi” Ottimizzazione del disegno (dei pixel, macropixel,short strip) Ottimizzazione del processo a singola faccia per pixels Caratterizzazione dei sensori ( un simile esercizio è stato fatto per le microstrisce all’inizio per l’attuale tracker) –Capacità di pixel/macropixel –Depletion voltage dei sensori Spessore attivo Resistività del substrato –Charge collection efficiency –Studio del danno da radiazione (per tutti gli item, prima e dopo l’irraggiamento)

19 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0719 Sensori su MCZ - Antefatto SMART/RD50 batch (IRST), 4” su DOFZ, MCz, Epitassiale (n-p/p-n) Gli studi continueranno in quest’anno, e ci permetteranno di prendere decisioni finali per batch per CMS

20 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0720 Sensori su MCz– Perche MCz? (I) Con irraggiamenti con protoni (24 Gev, 26 MeV) e pioni (190 MeV) si osserva una piccola variazione di V fd su un ampio range di fluenze Fz RD48 MCz-RD50

21 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0721 Sensori su MCz– Perche MCz? (II) (100 min @ 80C ≈ 500 days @ RT) — SFZ ----- MCz p-type n-type A.Messineo et al,proceedings of ICATTP05 conference Annealing studies after 24 GeV/c p irradiation S.M.A.R.T. Il reverse annealing è significativamente ridotto:ciò potrebbe semplificare il recovery da danno da radiazione in un eventuale danneggiamento in fase operativa.

22 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0722 Sensori su MCZ – perchè p-type? Dopo forti danni da radiazione, la charge collection viene ridotta per il carrier trapping. Ma essendo  e ~3  h gli elettroni necessitano di un tempo di raccolta minore  meno carrier trapping  CCE più stabile Altri pro: il trapping per elettroni ha un annealing benefico, non c’è type inversion, il campo elettrico parte dal lato con le strutture, processo single side. contro: necessita di altri studi più sistematici (Smart/RD50 in questo anno) processo da tunare

23 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0723 Sensori su MCZ – Batch di R&D per CMS I dettagli del batch saranno definiti dopo il completamento degli studi di Smart nei primi mesi del 2008 in accordo con PURDUE/PSI. Le idee, tralasciando i dettagli, sono: -uso MCz 6” da 300 e/o 200 micron di spessore tipo p e/o tipo n -processo ss -disegno di pixel “CMS” size, -disegno di macropixel e/o ministrips di geometrie diverse -disegno di ministrip (3 cm lunghi di diversi pitch) per studi di strip- trigger Si sottolinea l’importanza di produrre tali sensori con un producer commerciale

24 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0724 Sensori su MCZ – Attività Produzione di un batch con un produttore commerciale a) Disegno maschere (Fi,Pi, Purdue) b) Qualificazione del processo (Ba,Pi, Purdue) c) Caratterizzazione dei dispositivi (Ba, Fi, Pi, Purdue) d) Irraggiamento dei dispositivi (CT,PSI) e) Misure di CCE (Ba,Pi) f) Test beam: moduli microstrip per strip-trigger (Fi) g) Test beam: moduli prototipo (Tutti) Su tutto questo R&D c’è un dichiarato interesse da parte di gruppi Usa (Purdue) e dal PSI a partecipare e a contribuire finanziariamente. Il contributo sarà definito in fase di proposal.

25 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0725 Multi-geometry pixel - 2008 Plan Define Multi Geometry test structures (CERN, Perugia) Device modeling to optimize design parameters (Perugia) Mask design and validation (CERN, PSI) Sensor processing and qualification (HPK) Qualification of devices (Perugia, CERN, UCSB, PSI) Irradiation of devices (CERN, PSI) Test of devices after irradiation (CERN, PSI) Charge collection studies (Perugia, UCSB, PSI) 4 splits – batches to be processed (~ 12 sensors each) with same design but with 2 different substrate types : FZ – n type and MCZ – p type and 2 different thickness.

26 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0726 Multi Geometry Pixels parameters Active substrate thickness:60 um; 200 um Pixel pitch:60um; 80um; 120um Pixel implant width / pixel pitch:0.20; 0.25; 0.30; 0.50 Metal overhang:-6um; 0um; +6um; +12um Pixel separation, along pixel length: same as pixel separation across pixel width Pixel length:100um; 400um; 800um; 1200um

27 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0727 MAPS in SoI SoI è una tecnologia che, rispetto alle tecnologie bulk CMOS sembra poter garantire la costruzione di MAPS con: - miglior S/N - più alta resistenza alle radiazioni Interesse inizialmente legato: - in Italia/USA a progetti R&D per ILC - in Giappone (ATLAS) anche a progetti R&D per SLHC (e per spazio) Situazione attuale in Italia: 1. programma di sviluppo congiunto INFN+HPK+ SUCIMA: verrà ratificato dopo test prototipi e analisi costi-benefici 2. collaborazione UniPD-LBL in tecnologia OKI (detector oriented) 3. collaborazione UniPV+UniBG con FNAL in tecnologia MIT (electronic oriented)

28 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0728 Perché SoI per S-CMS Perchè ora, nel contesto del tracker update? Presenza sinergia CMS-P-ILC: - P-ILC: sviluppo di tecnologia con HPK - CMS: studio della tecnologia OKI anche in termini di radiation hardness Inserimento nella comunità OKI che è già formata Validare la tecnologia, considerando che  dopo il 2009-2010 troppo tardi per SLHC  validare costa poco (100 keuro in 3 anni)  risparmi per SLHC possono essere elevati

29 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0729 Submitted design key features We submitted a very simple design conceived mainly to test the technology itself more than checking new pixels solutions. Six different pixels implementation allow testing different diode sizes (1×1 and 5×5 µm 2 ), pixel types (analog and digital) and different configurations (HV, LV) 5×5 µm 2 Analog 5×5 µm 2 Analog HV 5×5 µm 2 Digital 1×1 µm 2 Analog 1×1 µm 2 Analog HV 1×1 µm 2 Digital 80 rows 50 cols

30 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0730 Attivita SoI per S-CMS Interessi manifestati da Padova, Perugia e Torino Collaborazione con LBL Stretti contatti con P-ILC per attività con HPK e FNAL Programma: due sottomissioni/anno ( una LBL, una INFN) - 2008 test tecnologia su chip design di responsabilità LBL - 2009 produzione dispositivi con part. al design dell’INFN Organizzazione del lavoro - Padova: test elettrico, irraggiamenti, sviluppo DAQ per Lab, test-beam - Torino: test elettrico, disegno dispositivo, test-beam - Perugia: test elettrico, simulazione e design dispositivo

31 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0731 Tracker: Elettronica C’è un forte interesse di Pisa ( G. Magazzu et al.) a partecipare, in collaborazione e sinergia finanziaria con ATLAS, alla definizione e allo sviluppo di protocolli e interfacce per la trasmissione di dati e segnali di controllo tra i chip di front-end e il GBT. Le scelte sono fortemente legate al FE ovvero ai sensori ed è importante che vengano sviluppate in forte interconnessione con il gruppo dei sensori: Costi: sottomissione di un batch di circuiti di test (a ½ con ATLAS) Ulteriori sviluppi di elettronica fondamentale per il nuovo tracciatore di CMS, ma il cui svolgimento coinvolge attualmente anche persone di ALICE e non LHC, verrà presentato in gruppo V a resp. di A. Ranieri (Ba). Riguarderà lo sviluppo in collaborazione con il CERN del GBT (raggruppa in parte le funzioni del TTCR,CCU,DCU), il test della parte optoelettronica del GBT (PG) e lo studio dei regolatori switching DC-DC ad alta frequenza per il powering (FI). Le attività si presentano divise per motivi “storici” ma sottolineiamo che, per la parte di interesse di CMS, esse saranno svolte in modo coordinato all’ interno del consorzio e che confluiranno (in 1-2 anni) in un programmo organico di elettronica per il tracciatore di interessi di tutto il consorzio.

32 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0732 Costi INFN per R&D tracciatore per 2008  Sensori su MCz altri(stime)  Maschere e produzione batch130 K€ 50 K€  Consumi per caratterizzazione20 K€ 20 K€  Consumi per irradiamento10 K€  Test beam 20 K€ 20K€  Multi-geometry pixel  Maschere e produzione batch30 K€120 K€  Attivita SoI  produzione scheda DAQ10 K€  consumi laboratorio/test beam15 K€  Produzione e consumi 55 K€  Elettronica  ½ batch25 K€ 25 K€  Studio sistema  Crescita con laser delle strutture di supporto e cooling15 K€ Totale 275 K€

33 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0733 Costi per R&D tracciatore su preventivi 2008 Queste attività, discusse e condivise in CMS-tracker (anche se ad un diverso livello), sono già in una fase embrionale di progetti fra diverse istituzione, ma questo va formalizzato (come suggerito dai referee e attualmente in maturazione in CMS) in proposal di R&D (da approvate in CMS) che porteranno fra l’altro una dettagliata quantificazione e divisione dei costi……. In vista di ciò pensiamo,  di presentare per ora le precedenti richieste indivise e sj all’approvazione delle proposal sulla sezione di Bari, specificando le esigenze delle singole linee nel modulo EC2  di poter indicare nelle proposal delle cifre in linea con quanto qui presentato

34 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0734 Altri campi di interessi: Trigger Interesse di Pisa (che coinvolgerebbe anche Ba e Fi per l’hardware) sullo sviluppo di un trigger che usi il tracciatore a L1 basato sulle AM. Questo interesse è stato manifestato nei diversi workshop sull’upgrade. L’attività proseguirà nel 2008 come studio di fattibilità e simulazione cercando di coinvolgere nuove persone (PG?). E’ da citare a proposito un idea embrionale (di G. Parrini) di un trigger basato sulle microstrip che sfrutta il fatto che il cluster size delle tracce permette una misura del loro impulso trasverso, almeno al di sotto di pochi GeV. Scartare i cluster size più grandi decongestionerebbe in modo rilevante il flusso dei dati d’interesse. track width R ∆R MI P A L Y E R IP D I E A L Tutto ciò è realizzabile con pitch leggermente minori degli attuali per uno strato a distanze R > 30 cm.

35 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0735 Altri campi di interessi: Vertical Scale Integration Si vogliono indagare le potenzialita’ offerte dalle nuove tecnologie di “Vertical Scale Integration”, (o “3D”, a rischio di confusione) per i pixel di SLHC La “Vertical Scale Integration” rappresenta la soluzione più semplice per risolvere il problema di realizzare un pixel monolitico, leggero ed intelligente. Tutte le maggiori compagnie stanno investendo in questa direzione La soluzione e’ “semplice” –Diversi strati di Si vengono processati separatamente e poi assottigliati –Vengono poi incollati in un unico stack –L’interconnessione fra strati e’ garantita da fori passanti (via) micrometrici MI-Bicocca vuole partecipare a questi sviluppi, sfruttando la collaborazione con Ray Yarema (FNAL), iniziata anni or sono e che ora continua con Valerio Re. FNAL e’ interessato a collaborare

36 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0736 Tracker: Manpower 2008

37 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0737 DT/RPC upgrade issues (1) da A. Montanari

38 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0738 DT/RPC upgrade issues (2) da A. Montanari

39 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0739 Trigger data connections (one TTL layer)

40 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0740 DT/RPC upgrade issues (3) da A. Montanari Possibilità di dare il tag direttamente e soltanto dal sistema DT? (P.Zotto)

41 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0741 Inizialmente il sistema RPC forward avrà solo tre stazioni a basso eta In discussione al momento il completamento del rivelatore a basso eta (Belgio, India, Pakistan) Upgrade necessario per la regione ad alta eta. In regime SLHC la tecnologia attuale non potrà essere utilizzata Interesse della comunità italiana ad R&D per definire un possibile rivelatore in questa regione. Possibile interesse per le stazioni RE1 ( < 100 m 2 in totale) Up-grade sistema RPC da Iaselli

42 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0742 Costi per R&D Sistema MU per 2008 Bologna Sviluppo di un prototipo di Pattern Unit (per iniettare nel sistema pattern di bit predefiniti e di ricevere il risultato del loro processamento attraverso l'elettronica ad alta frequenza) Consumi: 20 K€ Padova Studiare la possibilità di trasferire l’informazione lontano dal rivelatore, utilizzando link ad alta velocità (10 Gbit/s) e resistenti alle radiazioni, conservando la risoluzione temporale necessaria. Sviluppo di una scheda prototipo Consumi: 30 K€ Torino prototipi di camere (GEM?) per un muon tracking trigger Consumi: 20 K€ Saranno richieste indivise e sj da Bologna

43 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0743 Richieste up-grade CMS per 2008 Tabella Road Map INFN +1 anni Per i prossimi anni, si confermano al momento le previsioni della road map

44 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0744 Conclusioni L’attività previste per l’upgrade potrebbero sembrare costose (ma in linea con quanto previsto nella road map) ma sono indispensabili per poter iniziare a lavorare concretamente con i nostri collaboratori ed influire nella definizione del progetto. Queste attività si basano su FTE harware oriented, che, oltre al compito di servizio della fase LHC, prevedono di lavorare in sede per buona parte del tempo: ovvero l’inizio di questi studi non penalizzerà in nessun modo le altre attività correnti di CMS. Queste attività sono per altro necessarie per non disperdere le competenze acquisite da ricercatori e tecnici e per non rendere obsoleti i laboratori di sezioni.

45 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0745 Altre

46 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0746 parametersymbol 25 ns, small  * 50 ns, long transverse emittance  [  m] 3.75 protons per bunchN b [10 11 ]1.74.9 bunch spacing  t [ns] 2550 beam currentI [A]0.861.22 longitudinal profileGaussFlat rms bunch length  z [cm] 7.5511.8 beta* at IP1&5  [m] 0.080.25 full crossing angle  c [  rad] 0381 Piwinski parameter  c  z /(2*  x *) 02.0 hourglass reduction0.860.99 peak luminosityL [10 34 cm -2 s -1 ]15.510.7 peak events per crossing294403 initial lumi lifetime  L [h] 2.24.5 effective luminosity (T turnaround =10 h) L eff [10 34 cm -2 s -1 ]2.42.5 T run,opt [h]6.69.5 effective luminosity (T turnaround =5 h) L eff [10 34 cm -2 s -1 ]3.63.5 T run,opt [h]4.66.7 e-c heat SEY=1.4(1.3)P [W/m]1.04 (0.59)0.36 (0.1) SR heat load 4.6-20 KP SR [W/m]0.250.36 image current heatP IC [W/m]0.330.78 gas-s. 100 h (10 h)  b P gas [W/m]0.06 (0.56)0.09 (0.9) extent luminous region  l [cm] 3.75.3 Parametri SLHC Due scenari Compromesso fra heat load vs pile up events

47 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0747 Livelli di radiazione per il tracker ad SLHC Cumulative effects (NIEL) increase by a factor 5 Instantaneous effects (occupancy, SEU) increase by a factor 10 LHC SLHC

48 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0748 Basic Geometry I 2~6cm -5 -1 0 +1 +5 Inter-Pixel coupling Across pixel width -50+1+5 Inter-Pixel coupling Along Pixel length

49 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0749 MAPS on SOI The thin silicon layer (~ 40nm) is isolated from the bulk from a thin oxide SiO 2 layer. No PNPN parasitic structures The lower parasitic capacitance allows higher speed and lower power dissipation respect to comparable bulk CMOS structures. Small charge generation into the active area of the transistor, lower sensitivity to SEE. Process 0.15  m Fully-Depleted SOI CMOS process, 1 Poly, 5 Metal layers (OKI E. I. C. Ltd.). SOI wafer Wafer Diameter: 150 mm , Top Si : Cz, ~18  -cm, p-type, ~40 nm thick Buried Oxide: 200 nm thick Handle wafer: Cz>1k  -cm, 650  m thick (SOITEC) Backside Thinned to 350  m, plated with Al (200 nm). OKI 0.5 µm SOI process

50 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0750 Flexible DAQ/Drive system Dual-board system: 1 general purpose (commercial) logic board + 1 dedicated (custom made) ADCs board. Allows for flexibility while saving development and implementation time. Virtex 5 FPGA based, commercial (reliable, ready and easily upgradeable). Piggyback mounted on the FPGA control board. USB 2.0 and Ethernet connections. Many MBs of memory onboard. LVDS control of fast signal to allows driving chips with over 50 MHz clocks. 105 Ms/s, 14bits ADCs with dedicated, tunable (AC, DC) analog input circuit. LVDS repeaters and others dedicated ancillary circuitry (DACs, counters…) + Self supplied, no VME crate necessary!! Daisy-chaining ready to allow manage complex detectors assemblies (telescopes)

51 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0751 Struttura layer del tracciatore (Barrel) L’introduzione di elementi di maggior realismo come la struttura a “mattonella” dei layers complica le cose..... ρ track sensor IP X axis Y axis x=0 MIP R (+) MIP L (-) x=0, ideal case at small x/R values W(x) is a linear function geometrical Layer

52 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0752 Tracker: Trigger (II) Da studi preliminari mostrano che con gli spessori usuali (300µm), discriminazioni attorno ai 50 µm di cluster size danno un’ottima reiezione ( ≈99%) per le particelle sotto i 2 GeV, da R =30 cm in su. 3 GeV 1 GeV Il metodo è applicabile con rivelatori tipo (mini) strip a distanze R medio grandi Aspetto importantissimo è l’elettronica (frontend, combinatoriale, trasmissione) il cui progetto deve essere connesso al tipo di rivelatore ( per trattamento e discriminazione del segnale).

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54 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0754

55 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0755

56 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0756

57 M. de PalmaCSN1 - LNF 25/6/0757