WG-SLHC Dove siamo, …. dove e come andiamo? Spunti per una discussione M. de Palma Roma, CSN1 16 Maggio 2006.

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1 WG-SLHC Dove siamo, …. dove e come andiamo? Spunti per una discussione M. de Palma Roma, CSN1 16 Maggio 2006

2 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC2 Out line Breve sunto delle conclusioni del WG Novità e considerazioni del WG Possibili attività di R&d per il 2007 di ATLAS Possibili attività di R&d per il 2007 di CMS Conclusioni e ……

3 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC3 Report finale del WG http://www.infn.it/csn1/Roadmap/SLHC.pdf

4 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC4 Scala dei tempi I tempi assunti dal WG:  2007-2008 Programma generale di R&D.  2009-2010 Definizione del progetto di up-grade (entro un chiara definizione della macchina SLHC); prototipi  2010-2012(?) preserie, inizio costruzione  2012- 2015(?) Costruzione  2015(?)- 2017(?) Assemblaggio, integrazione, commissioning….  Running

5 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC5 MDT: studi degli effetti di ageing e coinvolgimento nell’R&D e nella realizzazione dell’elettronica di FE e del LV1 barrel trigger system. RPC: studi degli effetti di ageing. LAr: upgrade del sistema di HV, coinvolgimento nell’R&D e nella realizzazione della elettronica di read-out TILE CAL: partecipazione all’R&D e all’upgrade dell’elettronica di F.E INNER TRACKER: va completamente sostituito e l’idea è di avere un sistema tutto basato su silici con una parte interna coperta da rivelatori a Pixel e una parte esterna coperta da microstrip di differente granularità. Impegno nella realizzazione della parte a pixel con partecipazione all’R&D su : 1) Elettronica di FE in CMOS 0.13  m 2) Sensori 3) Ingegnerizzazione moduli e stave 4)Opto-link and Off-dectector R/O Possibili impegni INFN per upgrade di ATLAS

6 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC6 Possibili impegni INFN per upgrade di CMS DT: coinvolgimento del progetto e nella realizzazione dell’ elettronica di readout, trigger e control board. Studi per una integrazione DT-RPC per identificazione BC e trigger RPC: studi degli effetti di ageing. ECAL: studi di degradazione delle prestazioni e simulazioni. TRACKER: Deve essere completamente ricostruito e l’idea e avere un sistema al silicio a cilindri coassiali, di opportuna granularità, di pixel, macro pixel e microstrip a raggi crescenti. Il Consorzio INFN ha interesse alla realizzazione della parte a pixer (per R<60 cm), nell’ elettronica di FE e di trigger (new) con partecipazione all’ R&D su: 1) Sensori pixel convenzionali e innovativi 2) Trigger chip 3) Elettronica di FE in CMOS 0.13  m4) Opto-link 5) Meccanica ( struttura, elementi base)6) Simulazioni

7 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC7 Costi up-grade 2007-2010

8 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC8 Commenti sui costi Richiamo i commenti, già fatti in Gennaio, sui costi:  Compromesso fra le potenzialità dei gruppi e le disponibilità della CNS1  I tempi potrebbero dilatarsi (shift di 1,2,.. Y ?)  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  Gli R&D per i tracciatori dovrebbero effettivamente iniziare nel 2007

9 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC9 Progressi da Gennaio - I Ci sono poche novità: 1) Si è svolto un workshop di CMS sul tracciatore il 3-4 Aprile a Perugia: Fourth CMS workshop on Detectors and electronics for the SLHC http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=a06865 In questo meeting hanno trovato conferma l’orientamento di CMS per: un tracciatore fortemente basato sulla tecnologia pixel sia innovativa (MAPS) sia più tradizionale (su substrati innovativi e non) a seconda del raggio la necessità di avere informazione per il trigger di primo livello dal tracciatore la necessità di sviluppi di elettronica CMOS 0,13  m E’ risultato evidente il grosso impegno, già da ora, sia in attività sia finanziario di alcune componenti della collaborazione ( IC, USA, CERN) al quale l’INFN deve in qualche modo rispondere se vuole inserirsi in modo adeguato.

10 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC10 Progressi da Gennaio - II 2 ) Su attività largamente riconducibili ad R&D per SLHC sono stati presentati, fra ATLAS E CMS, due Cofin06: –Sviluppo di rivelatori monolitici a pixel a basso costo per SuperLHC Rep. Naz. D. Bisello, da PD-PA-PG-TO-FI che sarà brevemente descitto da G. Bilei –Un SuperTracciatore per S-LHC Rep. Naz. G.Tonelli, da PI-BA-CT-FI-RM2 che sarà brevemente descitto da F. Palla 3) Abbiamo avuto una riunione del WG per capire come preferiremmo muoverci. Siamo giunti ad alcune conclusioni, largamente condivise, che di seguito presento

11 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC11 come continuare? Finanziamenti 1) alcuni sviluppi richiedono tempi lunghi dovendo passare per fasi di prototipizzazione successive (sensori, elettronica) 2) in molti casi i nostri collaboratori sono già attivi e pertanto per contribuire nelle scelte che condizioneranno il futuro bisogne essere operativi, presenti ed inseriti già da ora. 3) dovendo cambiare tecnologia, come per CMS-tracker, bisogna partire subito per colmare il gap esistente e continuare ad essere competitivi al altissimo livello Sul alcuni item è fondamentale iniziare un R&D specifico (e quindi avere finanziamenti) già dal 2007 perché:

12 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC12 come continuare? Personale Queste attività almeno per il 2007, vista l’ esperienza di iniziative come SMART, SHARP, DACEL in CSN5, non dovrebbero assorbire più di 1÷1,5 FTE per un gruppo medio di ATLAS e CMS, distribuiti con piccole percentuali fra più persone. L’ attività dovrebbe essere svolta dai ricercatori più “hardware-oriented” nei periodi in cui saranno in sede (e non al CERN) e quindi abbastanza liberi dagli impegni correnti sugli esperimenti. L’ attività dovrebbe inoltre poter contare sugli ingegneri e tecnologi (di orientamento meccanico e/o elettronico) dei gruppi e dei servizi che, per loro formazione, saranno meno implicati nella corrente fase degli esperimenti Con queste premesse, l’ attività di R&D non interferirà con il lavoro di commisioning/operation degli esperimenti presso il CERN, ma al contrario permetterà di mantenere vivo il coinvolgimento di alcune professionalità nel complesso delle attività dei gruppi.

13 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC13 come continuare? Formalità Il gruppo di studio ritiene che: 1) non sia efficiente l’apertura di eventuali sigle per questa attività di R&D perchè : 1)non deve essere vista come una nuova iniziativa, ma una naturale evoluzione dell’attività dei gruppi in ATLAS e CMS, 2)non deve costringere gli FTE ad artificiali scelte di percentuali, 3)si semplifica l’ assegnazione di eventuali ME, metabolismi,…. 2)deve essere però garantita la tracciabilità delle risorse allocate per gli R&D sia come assegnazioni sia come spese 3)devono essere evitate duplicazioni di attività fra ATLAS e CMS 4)deve essere assicurata la proprietà comune di possibili iniziative (esempio: un batch di sensori da dividere fra gruppi ATLAS e CMS) Possibili soluzioni: 1)Moduli EC2 specifici 2)Richieste armonizzate all’interno del WG 3)Stessi referee per ATLAS e CMS per la sola attività di R&D 4)………. …ovvero un AND fra alcuni punti precedenti,……..

14 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC14 Proposte di R&D per 2007 (I) ATLAS-Lar (in collaborazione con BNL e Orsay che stanno iniziando)  Sviluppo di elettronica di front-end  Identificazione delle tecnologie analogiche adatte per questo tipo di elettronica con caratterizzazione di dispositivi e progettazione di una “libreria” di componenti con layout “radiation tolerant”  Progettazione e caratterizzazione di blocchi circuitali (preamplificatori, formatori,T&H, AGS) nella tecnologia scelta.  Revisione del sistema di HV  Comprensione e simulazione dei “constraints” di SLHC  Acquisizione e test di “un crate equivalente” di moduli HV. Costi per sviluppo, la progettazione e test.

15 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC15 Proposte di R&D per 2007 (II) ATLAS-Tile cal Partecipazione allo studio dei danni da irraggiamento  Partecipazione ai test di caratterizzazione dei PMT per verificarne le caratteristiche di funzionamento dopo diversi anni di LHC  Partecipazione ai test di invecchiamento e danneggiamento delle fibre Costi per i test e per la preparazione/upgrade dei setup di test. ATLAS-MDT Studio del deterioramento con la radiazione.  Test di invecchiamento Costi limitati di consumi

16 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC16 Proposte di R&D per 2007 (III) ATLAS-Tracker Partecipazione alla definizione ed al progetto del nuovo sistema a pixel  Partecipazione allo sviluppo di un chip di FE in CMOS 0,13  m per pixel  Nuovi disegni per sensori pixel  Partecipazione alla definizione della struttura meccanica Costi per partecipazione alla produzione di batch di chip e/o sensori

17 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC17 Proposte di R&D per 2007 (IV) CMS-DT: Attività preparatoria per la nuova elettronica di FE.  Definizione e valutazione della nuova tecnologia da usare  Disegno e simulazione del FE  Disegno del nuova logica di trigger e sviluppo dei relativi algoritmi Costi limitati su consumi

18 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC18 Proposte di R&D per 2007 (V) CMS-Elettronica (in collaborazione con il CERN,IC,..)  Valutazione sulla resistenza alla radiazione della tecnologia CMOS 0,13  m (0,09  m?) con caratterizzazione dei dispositivi irraggiati e non (per il 2007 finanziata su DACEL in CSN5 )  Progettazione di un chip di FE per pixel in tecnologia CMOS 0,13  m e definizione delle caratteristiche del blocco analogico (preamplificatore di carica, shaper con un "peaking-time di una decina di ns,discriminatore a soglia regolabile) e del blocco digitale (sincronizzatore di clock, linea di ritardo, memoria e logica periferica per il test di connettività)  Disegno e simulazione del chip  Produzione prototipi  Caratterizzazione dispositivi irradiati e non  Scritture dellle librerie digitali Costi per un NRE run, consumi sviluppo, irraggiamento e test (anche PRIN)

19 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC19 Proposte di R&D per 2007 (VI) CMS-Tracker-I Per INFN, attività rivolta alla R&D dei sensori pixel (ibridi e integrati). Sono possibili diverse linee di sviluppo ancora da armonizzare in dettaglio all’interno del consorzio, della collaborazione, delle attività in corso…….in relazione anche alle risorse disponibili. 1)Finalizzazione dei risultati di SMART a SLHC con realizzazione di prototipi su 6 pollici su opportuni substrati con aziende in grado di sostenere la produzione di massa.( in collaborazione con RD50)  Disegno maschere  Produzione prototipi  Caratterizzazione dispositivi irradiati e non. Layout of the SMART-RUN 3 :on p-type wafers 4” Material: MCz (300  m), Epitaxial (100  m) Costi per un batch e relative maschere, consumi per irraggiamento e test

20 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC20 Proposte di R&D per 2007 (VII) CMS-Tracker-II 2) Rivelatori MAPS - Monolithic Active Pixel Sensors (collab. con IC e RAL). Sono stati sviluppati piccoli dispositivi a matrice di pixel con elettronica integrata (CMOS standard 0.18  m UMC) con buone prestazioni; da finalizzare ora SLHC. (per il 2007 finanziata su SHARP in CSN5 ) 3) Rivelatori CMOS SOI - Silicon On Insulator (collab. CERN, UCSB e HPK) HPK ha cominciato a costruire dei semplici diodi  Simulare disegnare e sviluppare delle semplici matrici di pixel  Produzione prototipi  Qualificare successivamente le strutture. Costi di un batch, consumi per caratterizzazione (anche PRIN)

21 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC21 Proposte di R&D per 2007 (VIII) CMS-Tracker-III 4) Pixel su Diamanti per la realizzazione del layer 00 (R = ~ 4cm) (Il diamante è oggi il materiale più promette per resistere su tempi lunghi (5Y) all’atteso livello di radiazione in SLHC) Si basa sull’ esperienza del gruppo di CT in collab. con FI, Rm2, CERN ed RD42  Scelta dei migliori diamanti con tecniche ottiche od elettroniche (Raman, IV, CV, CCE..)  Produzione prototipi  Caratterizzazione dei dispositivi Costi di produzione, consumi per scelta cristalli e caratterizzazione dispositivi (anche PRIN)

22 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC22 Conclusioni  I gruppi desidererebbero fortemente partire sulle attività precedente elencate nel 2007, sia per i tempi lunghi necessari all’R&D sia per non restare in dietro con quanto succede nelle rispettive collaborazioni.  Impegno del personale, in tempo e nelle professionalità richieste, non influenzerà le attività prioritarie di ATLAS e CMS presso il CERN e la relativa analisi dei dati.  I costi per il 2007, qui non specificati ma noti nelle grandi linee, sono per ogni attività descritta assolutamente in linea con quanto previsto dalla tabella del Report (slide #7, colonna R&D) e valutabili nei casi costosi al più in 1/3 dei valori in tabella.  …….. discussione

23 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC23 altre

24 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC24 Monolithic silicon pixel detector (MAPS)

25 Roma, 16 Maggio 06M de Palma, WG SLHC25 Silicon On Insulator pixel sensor Rivelatori monolitici a pixel realizzati su un strato di silicio ad alta resistività, (rivelatore), sul quale è depositato un sottile film di ossido di silicio (isolante) sul quale e realizzata l'elettronica di lettura CMOS, connessa con Vias alla giunzione.

26 Maggio 200626 Proposta per attivita’ di R&D-Lar  Sviluppo di elettronica di front-end  Identificazione delle tecnologie analogiche adatte per questo tipo di elettronica  Caratterizzazione di dispositivi Bi-CMOS in SiGe (IBM e AMS) attraverso misure statiche, di rumore e di resistenza alle radiazioni  Progettazione di una “libreria” di componenti con layout “radiation tolerant”  E’ auspicabile un inizio di questa attivita’ nel 2007 in collaborazione con BNL e Orsay che stanno iniziando attivita’ simili  Progettazione e caratterizzazione di blocchi circuitali nella tecnologia scelta.  Schemi elementari [preamplificatori, formatori, track and hold (T&H) e amplificatori a guadagno programmabile (AGS)]  Circuiti funzionalmente completi che possano servire da prototipi  Revisione del sistema di HV  Comprensione e simulazione dei “constraints” di SLHC  Rivalutazione delle specifiche dei singoli moduli e dell’intero sistema di HV in funzione delle condizioni operative di SHLC  Possibile valutazione di moduli “commerciali”  Acquisizione e test di “un crate equivalente” di moduli HV.  Test prolungati su un sistema “minimo” con particolare attenzione ad eventi “fault”  Adattamento del software di controllo (interfaccia SCADA)