CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 1 Prime idee per esperimenti al SuperLHC Carlo Civinini INFN-Firenze.

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1 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 1 Prime idee per esperimenti al SuperLHC Carlo Civinini INFN-Firenze

2 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 2 Parlero’ di... Upgrade di LHC Fisica a SLHC Esperimenti –Tracciatore –Calorimetria –Sistema per muoni –Trigger e DAQ –Elettronica

3 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 3 Upgrade Fase 0 Numero di bunch nbnb 2808 Spaziatura bunch ΔtΔt 25ns Protoni/bunch NbNb 1.1 10 11 1.7 10 11 Energia E 7 TeV7.45 TeV lunghezza bunch (rms) σzσz 7.55 cm Beta a IP β*β* 0.55 m0.5 m angolo a IP (rms) θcθc 285 μrad315 μrad Luminosita’ (max.) L 10 34 cm -2 s -1 2.6 10 34 cm -2 s -1 NominaleFase 0

4 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 4 Upgrade Fase 1 Numero di bunch nbnb 28085616 Spaziatura bunch ΔtΔt 25ns12.5ns Protoni/bunch NbNb 1.1 10 11 1.7 10 11 Energia E 7 TeV7.45 TeV lunghezza bunch (rms) σzσz 7.55 cm3.78 cm Beta a IP β*β* 0.55 m0.25 m angolo a IP (rms) θcθc 285μrad445 μrad Luminosita’ (max) L 10 34 cm -2 s -1 9.6 10 34 cm -2 s -1 NominaleFase 1

5 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 5 Upgrade Fase 1 (superbunch option) Numero di bunch nbnb 28081 Spaziatura bunch ΔtΔt 25 ns--- Protoni/bunch NbNb 1.1 10 11 5.6 10 11 Energia E 7 TeV7.45 TeV lunghezza bunch (rms) σzσz 7.55 cm7500 cm Beta a IP β*β* 0.55 m0.25 m angolo a IP (rms) θcθc 285μrad1000 μrad Luminosita’ (max) L 10 34 cm -2 s -1 9.0 10 34 cm -2 s -1 NominaleFase 1 …evidenti problemi per quanto riguarda elettronica e trigger degli esperimenti

6 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 6 Upgrade Fase 2 Equipaggiare SPS con magneti superconduttori per iniettare ad 1 TeV –Fattore due in luminosita’ –Primo passo per l’energy upgrade Installazione di nuovi dipoli a 15T –R&D per magneti –Macchina per 25 TeV nel 2020 Macchina costosa e difficile da realizzare, ma punto di partenza per il futuro

7 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 7 Luminosita’ integrata La luminosita’ integrata dipende, chiaramente, dalle prestazioni della macchina in termini di Luminosita’ massima (L 0 ), ma anche dalla velocita’ di riempimento, accelerazione, tuning dei fasci (turnaround). Fill lifetimeTurnaround (h)T run (h)L int fb -1 /y 15h, L 0 =10 34 15122 15h, L 0 =10 34 61278 6.5h, L 0 =4.5 10 34 13524 6.5h, L 0 =4.5 10 34 66286 Integrale da 0 a T run Numero di fill per anno  per un anno

8 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 8 ‘Physics Case’ per SLHC L’ ottimizzare della ricerca ad SLHC dipendera’ dal tipo di EWSB e dalla nuova fisica eventualmente scoperte da LHC (o Tevatron, …) In generale ci si aspettano: –Miglioramenti sulla misura dei parametri di Higgs/SM e nuova fisica (se scoperte) –Estensione della possibilita’ di scoperta ad alte masse –Estensione della sensibilita’ per processi rari

9 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 9 Un possibile menu … Fisica Elettrodebole –Produzione di 3 o piu’ bosoni di gauge (accoppiamenti 3,4) –Decadimenti rari del top Higgs –Decadimenti rari della Higgs (H  Z    ; H   ) –Misura degli accoppiamenti ai fermioni o bosoni –Bosoni di Higgs pesanti del MSSM –Autoaccoppiamento del campo di Higgs Supersimmetria Extra dimensions W + L Nuovi bosoni di gauge Compositeness

10 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 10 Supersimmetria CMS tan  =10 5  contours SLHC puo’ estendere la regione di scoperta di circa 0.5 TeV : ~2.5 TeV  3 TeV Queste ricerche coinvolgono E T jet/leptoni e missing E T  Quindi non sono molto compromesse dal pile-up di SLHC

11 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 11 Un riassunto sulla fisica LHCSLHCVLHC LC 14 TeV 28 TeV40 TeV100 TeV0.8TeV5 TeV 100 fb -1 1000fb -1 100 fb -1 1000fb -1 Squark2.5 TeV3 TeV4 TeV5 TeV20 TeV0.4 TeV2.5 TeV WLWLWLWL 22 44 4.5  77 18  90  Z’5 TeV6 TeV8 TeV11 TeV35 TeV8* TeV30* TeV Extra dim  =2 9 TeV12 TeV15 TeV25 TeV65 TeV5-8.5*30-55* q*6.5 TeV7.5 TeV9.5 TeV13 TeV75 TeV0.8 TeV5 TeV Λ composit 30 TeV40 TeV 50 TeV100 TeV 400 TeV TGC  0.00140.00060.00080.00030.00040.00008 * Misure indirette Valori espressi in TeV (eccetto W L W L ) La luminosita’ corrisponde ad un anno di presa dati per un esperimento

12 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 12 Tempistica… Possibile upgrade

13 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 13 Upgrade dei rivelatori per SLHC Per sfruttare pienamente le potenzialita’ di SLHC agli esperimenti viene chiesto di: Essere capaci di ‘triggerare’ sui canali gia’ noti e su tipologie che sono collegate a possibili scoperte Avere, in molti casi, prestazioni simili a quelle ottenute alla luminosita’ di 10 34 cm -2 s -1 In poche parole: Gli upgrade saranno ‘semplici’ per canali che coinvolgono: jets di alta energia, , E T miss elevata Ma molto impegnativi per sfruttare completamente l’alta luminosita’ in caso di: e  ID, b-tag,  -tag, forward jet tagging (?)

14 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 14 Tracciatori interni L’unica cosa certa e’ che Atlas e CMS dovranno rifare (quasi) da zero i loro tracciatori I vincoli per progettare un nuovo tracciatore vengono da: –Occupazione –Danneggiamento da radiazione –Clock SLHC (12.5ns) –Trigger di primo livello –Budget –Tempi e persone a disposizione

15 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 15 Un nuovo tracciatore Come approssimazione zero se vogliamo prestazioni simili ai tracciatori attuali occorrera’ utilizzare lo stesso volume con un numero di punti per traccia e risoluzione spaziale paragonabili. 1.Per R>60 cm si puo’ pensare di utilizzare Si-microstrip portando al limite la tecnologia attuale per le resistenza alle radiazioni 2.Per R<20 cm molto lavoro di R&D per far funzionare un rivelatore a Si (pixel come unica possibilita’) 3.Nella regione intermedia si dovranno utilizzare Si-pixel con dimensioni dei pixel (o mini-strip) tali da ottimizzare il rapporto costo/prestazioni Tracciatore a Livello 1 di trigger????  pesanti richieste sull’architettura

16 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 16 Modulo Si-microstrip CMS Kapton Bias Circuit Carbon Fiber/Graphite FrameSilicon Sensors Front-End Hybrid Pitch Adapter Kapton cable Pins Now incorporated with the hybrid. APV and control chips Semplificare +Test

17 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 17 Modulo tipo ‘Straw man’ (CMS) Bump bonding commerciale: 100/200  m pitch 2 front-end chip per die output nel mezzo Lunghezza strip ~1/5 attuale Nessun pitch adapter Ottimizzazione per permettere un assemblaggio di tipo industriale

18 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 18 Tipo di sensore Magnetic Czochralski (ROSE, RD50) For ∫L.dt = 2500 fb -1 R (cm)Hadrons [cm -2 ] Dose [kGy] 228 x 10 14 350 751.5 x 10 14 35 1151 x 10 14 9.3

19 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 19 Architettura Lettura del sensore –Analogica  miglior trattamento del segnale, cmn –Digitale  molto piu’ semplice Trasmissione dati –Ottica analogica  industria? –Ottica digitale  standard Digitalizzazione on-board –Potenza disponibile, tempi Controlli –Uso di wireless  ‘Bluetooth-like’ nel rivelatore?

20 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 20 0.13  m consumera’ molto meno pero’ le tensioni di alimentazione saranno piu’ basse (1.2-1.5V) Power/channel0.25µm0.13µm Preamp0.65mW0.10mW Total analogue1.90mW0.30mW Digital power0.41mW0.09mW Total2.31mW0.39mW Elettronica Molto si basa sulla validita’ della legge di Moore… La tecnologia Deep sub-Micron 0.25  m sta aiutando molto LHC Per il 2015 sara’ disponibile il 0.13  m (90nm): RadHard ma pero’ piu’ sensibile al Single Event Upset ‘Entry cost’ molto elevato e competenze di base sono i punti deboli della tecnologia  proposta R&D in Gr.5 di Pd, Ba (Bo,To)

21 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 21 Regione ‘Pixel-like’ Sistema attuale (CMS):  Disegnato per resistere a  =6x10 14 n eq /cm 2   (z)~  (r  )~15  m per misure di precisione sul parametro d’impatto  3 layer (CMS): r=4.3cm, 7.2cm 11cm  Area totale ~ 1m 2 Fluenza e rate Costo Limitati da:

22 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 22 Fluenza per SLHC x5 luminosita’ integrata Usando il limite di 6x10 34 ncm -2  r>26cm Cosa fare?  RD50 1. sostituire il rivelatore ogni 1-2 anni 2. migliorare la resistenza del sensore

23 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 23 Studi su nuovi sensori Sensori CMS ossigenati Processo doppia faccia  300  m n su n Test beam 2003 – Metodo tracce radenti per la misura dello svuotamento A 600V per  =10 15 ncm -2  rivelatore quasi svuotato Se arriviamo a 3x10 15 ncm -2 possiamo usare questi rivelatori fino a 8cm!!

24 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 24 Pixel system n.1 3 layer: 8cm, 11cm, 14cm –Possibile se riusciamo a produrre un rivelatore capace di sostenere fino a  =3x10 15 ncm -2 –Fondamentale per il b-tag Area del pixel rimane invariata –15000  m 2 nessun miglioramento apparente per dimensioni minori Importanti modifiche nel read-out chip per la gestione dell’enorme quantita’ di dati Stima del costo 400SFcm -1

25 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 25 Pixel system n.2 Per 15cm< r <25cm si deve sviluppare una tecnologia piu’ semplice e meno costosa Rivelatori singola faccia n+ su p Si-Czochralski Area pixel 10 5  m 2 (160  mx650  m) Readout chip in tecnologia 0.13  m Stima del costo 100 SFcm -1 2 layer: 18cm, 22cm

26 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 26 Pixel system n.3 Resta da coprire la regione 25cm<r<60cm In questa fascia attualmente l’area di ciascun canale e’ di circa 10-15mm 2 quindi occorrono maxi-pixel di 1-1.5mm 2 La proposta e’ usare mini-strip 200  mx5000  m con sensori DC-coupled p+ su n portando il segnale con fan-out di kapton verso readout chip simili a quelli degli altri due sottosistemi Il costo stimato e’ di 40 SFcm -1 3 layer: 30cm, 40cm, 50cm

27 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 27 Sommario Pixel (CMS) Tre sottosistemi (8 layer): n.1 per massima fluenza n.2 minor costo n.3 sistema di grande superficie Occorrera’ ottimizzare il disegno per permettere una riduzione dei costi. Stima attuale (con P.S. ma senza meccanica: 17 MSF per una copertura fino a |  |<1.7

28 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 28 ECAL CMS APD Rad Hardness Controllati fino a 5kGy (alcuni fino a 10kGy) – molti OK (qualche caso di variazioni significative del breakdown voltage  esclusi In molti casi variazioni di solo ~1V, vs. 40V del margine sul breakdown Occorre un programma per il test degli APD sotto neutroni con fluenze fino a ~2.10 14 n/cm 2 + annealing 18 o C Dose 2kGy Neutrons 7.10 13 cm -2  = 1.48 at APDs Dose 5kGy Neutrons 1.3.10 14 cm -2 Studi d’irraggiamento dopo 3300fb-1 (LHC+SLHC) Effetto della corrente di fuga dell’APD sul rumore di un canale (da 20  A LHC a 130  A SLHC)  da 60 MeV a 150MeV

29 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 29 Cristalli di ECAL 20 30 40% LY loss LY loss distribution for 677 xtals Sono stati effettuati studi di perdita di LY dipendente dal dose rate tramite irraggiamento con 60 Co A SLHC,  =3, massimo dello sciame Dose rate = 150Gy/h Non sono inclusi effetti dovuti a sciami adronici LY loss tramite la misura dell’assorbimento indotto Si assume che tutti i centri di colore siano attivati  caso peggiore Effetto globale sul rumore di un cristallo della variazione del LY  190MeV

30 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 30 Tempo di formazione e Pile-up (Atlas LAr) ~ 10 35 Probabilmente sara’ necessario cambiare lo shaping time dell’elettronica del LAr per avere un rumore ottimale Lo shaping time ottimale scala con la luminosita’ L -1/4 => t p (  ) ~ 28ns @10 35

31 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 31 Effetti di carica spaziale (LAr) EC-EM E-anode/E0 E-cath/E0 J=charge inject rate / vol ~ energy inject rate / vol  = A + mobility Effetti significativi per |  |>2 |||| Dipende dal parametro

32 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 32 Tilecal (Atlas) Danneggiamento da radiazione ed invecchiamento degli scintillatori –Light yield funzione della dose: LY ~ exp(-D/D 0 ), D 0 ~ 21.5 kGy 400 Gy/yr (4x10 4 rad ) @ 10 35 nel caso peggiore |  | ~ 1.2 LY vs. Time @ 10 35 Invecchiamento: 1%-3%/anno Danneggiamento da radiazioni: 2%/anno (da: Fig. 5-45 TileCal TDR) LY vs. Dose ? Pileup @ 10 35 -> 270 MeV da confrontare con Min-Ion ~ 380 MeV

33 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 33 Sistemi per Muoni I sistemi per muoni di ATLAS/CMS sono progettati con un fattore di sicurezza 3-5 rispetto alle stime del fondo (i fattori di margine reali saranno noti solo quando LHC avra’ iniziato la presa dati) Possibili strategie: aumentare gli schermi ad alti  per ridurre il fondo in tutta la regione dei muoni limitare l’accettanza in |  | per la misura dei muoni L’attivazione dei materiali ad alti  (schermo, supporti, rivelatori, elettronica) limitera’ i tempi di accesso per la manutenzione Le scelte verranno probabilmente dettate dal tipo di fisica che si intendera’ fare ad SLHC: rivelatori robusti per accettanza anche ad alto  oppure schermi ed accettanza limitata alla regione centrale

34 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 34 Risoluzione MDT Vs Rate (Atlas) Max. rate @ 10 35 ~ 1 kHz/cm 2 : degradazione significativa a causa della carica spaziale single tube resolution vs. drift radius Ar:CO 2 (93:7), 3 bar  m vs. rate ? (Hz/cm 2 ) mm

35 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 35 Limitazioni del DT Local Trigger (CMS) Confusione intrinseca del bunch-crossing adiacente: Nei DT la propagazione del segnale lungo l’anodo e’ di circa  10 ns (end to end) Il DT local trigger puo’ essere comunque usato a 40 MHz con il bunch-crossing di SLHC a 80 MHz, pero’: Identificazione a doppio BXs Ridotta efficienza Identificazione dei dimuoni non affidabile L’elettronica del DT local trigger non puo’ funzionare a 80 MHz La resistenza alle radiazioni ad SLHC e’ marginale

36 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 36 SLHC Trigger menu Tre tipi di trigger: –Fisica di scoperta P T molto alti (soglie dell’ordine delle centinaia di GeV) –Completamento del programma di fisica di LHC Misure di precisione nel settore di Higgs Soglie su leptoni fotoni e jet confrontabili con quelle di LHC Stati finali conosciuti  selezione esclusiva –Trigger di controllo e calibrazione W, Z, top Basse soglie, acquisizioni prescalate Non sembrano esserci problemi di rate

37 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 37 Conclusioni Super-LHC –Massimizzazione dell’investimento sulle infrastrutture e ponte verso le macchine successive (dal 2015 in poi) –Luminosita’ massima di 10 35 cm -2 s -1 con ‘limitati’ interventi hardware –Attenzione: la luminosita’ integrata potrebbe non scalare come quella massima Fisica –Beneficio in molti campi (EW, Higgs, Susy, …) –Si potra’ essere piu’ precisi solo dopo i primi anni di LHC e dare maggiore o minore enfasi all’upgrade ed al suo indirizzo Rivelatori –Tracciatori interni da rifare; poco tempo per R&D  sfruttare al massimo le tecnologie attualmente disponibili –Calorimetria, muoni, trigger e DAQ da modificare eliminando i punti critici (radiation hardness, rates, trigger, …) Tempi –per essere realistici sforzi limitati di R&D fino al 2007, poi 3-5 anni di studi e definizione del sistema, seguiti da 3 anni di costruzione; installazione nel 2015.

38 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 38 Backup Slides

39 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 39 Luminosita’ Come raggiungere 10 35 cm -2 s -1 : N b =protoni/bunch f=frequenza di collisione σ *= dimensioni trasverse del fascio a IP σ z = lunghezza del bunch Per fasci circolari collidenti ad un angolo θ c Fase 0:nessuna modifica  2.6 10 34 cm -2 s -1  =15h solo Atlas e CMS, magneti a 9T  Fase 1:limitate modifiche  9.6 10 34 cm -2 s -1  =5h ridurre β*, aumentare N b, 12.5ns  Fase 2:modifiche pesanti  2 10 35 cm -2 s -1 nuovi magneti ed iniettori 

40 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 40 LHC Vs SLHC LHCSLHC Energia cm pp14 TeV15 TeV Luminosita’10 34 cm -2 s -1 10 35 cm -2 s -1 Rate di collisioni1 GHz10 GHz Rate W/Z1 kHz10 kHz Bunch spacing25 ns12.5 ns Interazioni per incrocio20100 Densita’ di tracce (dN/dη)150750 Rumore pile-up calorimetrinominaleX2-3 Rad. dose @1m 2500fb-11 kGy10 kGy Inizio 2012-2014

41 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 41 Luminosity effects H  ZZ   ee (M H = 300 GeV/c 2 ) 10 32 cm -2 s -1 10 33 cm -2 s -1 10 34 cm -2 s -1 10 35 cm -2 s -1

42 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 42 Luminosita’ integrata La luminosita’ integrata dipende, chiaramente, dalle prestazioni della macchina in termini di efficienza ma anche di velocita’ di riempimento, accelerazione, tuning dei fasci.

43 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 43 Fisica elettrodebole Triple gauge couplings: la sensibilita’ raggiunge il livello delle correzioni radiative nello SM 14 TeV 100 fb -1 14 TeV 1000 fb -1 28 TeV 100 fb -1 28 TeV 1000 fb -1

44 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 44 Decadimenti rari della Higgs Channel m H S/  B LHC S/  B SLHC (600 fb -1 ) (6000 fb -1 ) H  Z    ~ 140 GeV ~ 3.5 ~ 11 H   130 GeV ~ 3.5 (gg+VBF) ~ 9.5 (gg) BR ~ 10 -4 Cross section ~ alcuni fb Misura del rapporto   /  W al 20% Possibili canali:  H  Z     H   3000 fb -1 Difficile anche a LC:  g H  ~ 16 % con 1 ab -1 a 800 GeV

45 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 45 Higgs self-coupling LHC:  (pp  HH) 110 GeV  nessuna speranza SLHC: HH  W + W - W + W -   jj  jj S S/B S/  B m H = 170 GeV 350 8% 5.4 m H = 200 GeV 220 7% 3.1 6000 fb -1 La produzione di coppie di Higgs puo’ essere vista per la prima volta ad SLHC per l’intervallo ~150 <M H <200 GeV L’errore statistico atteso su e’ di circa 20-25%

46 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 46 Rivelatori 2D singola faccia X-cell (1 st Al) Contact to 2 nd Al on X-pixel Line connecting Y-pixels (1 st Al) FWHM for charge diffusion X-strip readouts (2 nd Al) Y-strip readouts Y-cell (1 st Al) The gaps between pixels are enlarged for clearer illustration Cell pitch/√12=σ x,y Cell pitch

47 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 47 HCAL 12.5ns bunch id 100 GeV electrons. 25ns bins. Each histo is average pulse shape, phased +1ns to LHC clock 12 ns di differenza tra gli istogrammi evidenziati  apparentemente nessun problema per l’identificazione del bunch

48 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 48 MSSM Higgs Nella regione verde si puo’ osservare solo h-SM con 300 fb -1 /exp Linea rossa: 3000 fb -1 /exp Linea blu: 95% excl. con 3000 fb -1 /exp La regione di osservabilita’ per una Higgs pesante e’ aumentata di circa 100 GeV.

49 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 49 Calorimetro adronico a campionamento: ottone-scintillatore Copertura : |  |<1.3 Profondita’:5.8 int (a  =0) Risoluzione  : ~ 120 %/sqrt(E) granularita’:  x   0.087x0.087 CMS HCAL Barrel 17 strati longitudinali, torri  x  = 4 x 16 La dose nel barrel non e’ un problema. Per gli endcap potrebbe essere necessario un intervento sugli scintillatori nella zona 2 < |  | < 3 Bunch-id possibile anche per  t=12.5ns

50 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 50 Upgrade dei rivelatori per SLHC In poche parole: Semplici per canali che coinvolgono: jets di alta energia, , E T miss elevata Molto impegnativi per sfruttare completamente l’alta luminosita’: e  ID, b-tag,  -tag, forward jet tagging (?) (GeV) 10 34 10 35 30-45 35 4 60-100 190 30 100-200 300 115 200-350 90 40 pTpT u-jet rejection factor for  (b)=50% Discovery: N > 100 Luminosita’ M Z’ (GeV)

51 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 51 Cosa cambiera’? Numero di canali –solo nella zona R>60cm ci si aspetta un fattore 5 Spessore sensibile dei rivelatori –Quindi maggiori restrizioni sul rumore dell’elettronica Densita’ di particelle –Maggiore granularita’ Potenza di calcolo offline –Aumentera’ piu’ delle nuove richieste sulla ricostruzione? –Si potranno tollerare occupazioni piu’ elevate? Online processing –Calcolo sul rivelatore? –Calcolo sul front-end.

52 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 52 Un esempio: scaling per CMS N Sapv ~3xN apv  Limitati dal tempo di test N Sbonds ~5xN Bonds  Industria (bump bonding) N Smodules ~5xN Modules  Industria (gantry) SMeccanica ~ Meccanica SPower ~ Power  Qualche vantaggio sugli Sapv, ma maggior numero di canali e minor tensione di alimentazione SMateriale ~ Materiale  Limitato dai cavi

53 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 53 Tracciatore e L1 trigger  Tradizionalmente: digitizzazione, trasferimento rapido dei dati, loro trattamento tutto fuori dal rivelatore  Per adattare il tracciatore in modo da poter fornire informazioni al primo livello di trigger occorreranno forti cambiamenti di architettura  Forse qualcosa potra’ essere tentato per le microstrip esterne (digitizzazione sul rivelatore)  ‘pattern finder’ online  I pixel non sono sincroni quindi le difficolta’ aumentano  Ancora nessuno studio approfondito…

54 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 54 Atlas Pixel Center Frame Section (1) Disk Section (2 ) (Services not shown) Interior Barrel Layers Disks Disk Rings Disk sectors (8)

55 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 55 Pixel: stima dei costi Costo e potenza Vs eta max Curiosamente il costo scala esattamente con la potenza. Sara’ mica perche’ mancano i costi della meccanica?

56 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 56 Pixel: readout chip

57 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 57 ECAL LY durante la presa dati  =0  =2.5 Light yield dei cristalli Luminosita’ di SLHC La creazione di centri di colore dipende dal dose rate il quale cambia durante il fill e dipende da . Maggiori variazioni nel barrel! Le end-cap sono in regime quasi saturato

58 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 58 Prestazioni di ECAL barrel Il rumore per canale nel barrel sara’ di ~190 MeV - A questo livello e’ escluso il contributo del pileup, altre sorgenti di elettronica e gli effetti degli sciami adronici sullo LY Leakage Current/xtal Noise equivComment APD current (TDR)20  A60MeVWith annealing, single sampling? APD current (SLHC)130  A150MeVAs  (leakage current) Annealing not included Add EB preamp noise140MeV50MeV in quadrature Losses Crystal factor0.75190MeVLY loss in crystals APD - Xtal glue?Measured to 5kGy? APD Q.E., Gain?Reduce gain, leakage?

59 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 59 Calorimetria Atlas  x  ~ 0.1x0.1  x  ~ 0.2x0.2  x  ~ 0.1x0.1 to 0.2x0.2 B:  x  ~ 0.003x0.1 E:  x  ~ 0.003x0.1

60 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 60 Atlas LAr Calibrazione Segnale campionato ogni 25 ns Optimal filtering Ampiezza : A =  a i s i Tempo : A.t =  b i s i dove a i e b i sono i coefficienti del filtro Segnale fisico s i campionati ogni beam crossing Ricostruzione del segnale

61 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 61 HCAL danneggiamento da radiazione La dose nel barrel non e’ un problema. Per gli endcap potrebbe essere necessario un intervento sugli scintillatori nella zona 2 < |  | < 3 Dose per un anno di SLHC ECAL HCAL  Dose (MRad)

62 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 62 Sommario Calorimetria per Atlas Il Pileup sara’ ~ 3.2 volte piu’ intenso @ 10 35 rispetto alla luminosita’ di LHC –Per ottimizzare il rumore il tempo di formazione dell’elettronica deve essere variato Saranno possibili effetti di carica spaziale nel LAr EM per |  |>2 –Puo’ essere necessario sostituire il LAr con un altro liquido BC ID problematica con campionamento a 25 ns –Forse necessario campionamento a 12.5 ns Tilecal: danneggiamento da radiazioni   LY< 20% –Calibrazioni e correzioni da studiare –Piu’ importante: marginale la differenza tra MIP e rumore generato da pileup

63 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 63 Occupazione MDT, CSC (Atlas) L ~ 5X Bkg @ 10 34 cm -2 s -1 MDT & CSC Occupancy (%) Nominal Bkg ~ acceptable 5X larger Bkg very uncomfortable Something has to done 1x bkg 5x bkg ?

64 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 64 RPC Atlas RPCs likely not to survive into SLHC era Linseed oil evaporating from electrodes

65 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 65 DT Local Trigger: an Overview Two best muon segments on output from each chamber: Output at fixed latency after the “parent” BX: BX id Two best muon segments on output from each chamber: Output at fixed latency after the “parent” BX: BX id Trigger boards are on- chamber (in MiniCrates) Higher quality Higher Pt Muon segment: L = 3 hits in a SL H = 4 hits in a SL LL HL HH The system cannot run at 80 Mhz

66 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 66 Trigger inclusivi LHCSLHC SelectionThresholdRateThresholdRate (GeV)(kHz)(GeV)(kHz) inclusive single muon2043025 inclusive, isolated e/gamma30225520 † muon pair6120few isolated e/gamma pair205305 inclusive jet2900.23501 jet + missing ET100+1000.5150+801-2 inclusive ET 150<1 multi-jet triggersvarious0.4variouslow

67 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 67 Radioattivita’ Esposizione annuale per radioattivita’ naturale ~1mSv Attualmente al CERN il limite e’ di 15mSv/anno  probabilmente nuove norme UE dovrebbero abbassarlo a 5mSv/anno Assumendo 100 ore di lavoro di manutenzione all’anno si considerano inaccessibili le zone con una attivita’ superiore a 50  Sv/h Eventuali upgrade dovranno tenere presente questo limite: il rischio e’ di avere rivelatori per i quali la manutenzione sara’ impossibile…

68 CNS1 22 Giugno 2004 Carlo Civinini INFN - Firenze 68 Esempio: zona endcap calo CMS