Prospettive Upgrade TOTEM M.G. Catanesi -INFN Bari Bari 19 Settembre 2011

Totem Upgrades Upgrade relativi alla obsolescenza e alle limitazioni riscontrate nelle performances dell’apparato attuale: servono per ottimizzarlo per i run dopo il lungo shutdown (2013-2014). Si tratta in questo momento di studi di fattibilita’. Upgrade relativi a futuri Run in comune con CMS e che richiedono aggiunte o redesign completo di rivelatori (vedi TDR di fisica comune ai due esperimenti , rappresentano il futuro). TOTEM sta studiando le problematiche relative. NB: la soluzione di alcuni problemi relativi al punto 1 semplifica e aiuta il raggiungimento del punto 2

Upgrade relativi alla obsolescenza e alle limitazioni riscontrate nelle performances dell’apparato Studi sul guadagno di T2 Studi volti al miglioramento del design di T2 Studio fattibilita’ per introdurre e adattare il sistema backend SRS (sviluppato in ambito Rd51) Test Beams 2010-2011 2010: VFAT2 and Large GEM (glued GEM Foil) Prototype Studies (CERN GDD & TOTEM) Tali studi richiedono un intensa attivita’ di test beam ! 2010-2011: Test Beam Activities with the CMS group for the High Eta Upgrade Le sinergie con Rd51 sono importanti

T2 gain studies Riduzione del rumore dell’FEE (possibilita’ di lavorare a guadagni 3 volte piu’ bassi) Studi per prendere dati con LHC a “full luminosity” Misurata una hit efficiency del 60% utilizzando il “divider protection resistor” che diminuisce il guadagno della camera quando il voltaggio sale. Non ottimale, ma sufficiente In condizioni di alto flusso di particelle la corrente puo’ raggiungere alcuni mA e avere effetti importanti sui guadagni . MANDATORY: reduce as much as we can the detector GAIN

From 2010 Test Beam VFAT2 & LargeGEM Prototype: Faster Gas  Reduced Gain 2010 Preliminary measurement with Ar/CO2/CF4 60/20/20. No Internal Field Optimization. Actual T2 HV Passive Divider Used. Same Efficiency @ lower Gain with Faster Gas (improved VFAT2 signal integration) This proved the feasibility of gain reduction using faster gas even without fields/gaps optimization (i.e. before the Long Shut Down). Not Optimized Mixture and Fields

New studies on T2 chambers design Alla luce dei risultati dei primi test stiamo riesaminando la geometria e la miscela di gas da utilizzare (Ar, CO2, CF4) Per far questo vanno realizzati dei piccoli prototipi che utilizzano miscele diverse e differenti partitori per l’HV

Noise Improvement: VFAT2 Settings Front End chip VFAT2 Internal Settings optimization Preamplifier Shaper Comparator. Comparator Current Studies (promising results): 1.1 Noise: (cross talk components) Reduced. 1.2 Signal Attenuation: (reduced internal Amplif.) Negligible . 1.3 Timing: Resolution not affected for Ar/CO2 (70/30) signals.

SRS= Scalable Readout System Sistema scalabile Trasmissione dati basata su Ethernet Non piu` bisogno di crate VME e relative (costose e inaffidabili) interfaccie Concentratore (SRU) Flessibilita` per ottimizzare costo VS velocita` di lettura Richiede un (modesto) lavoro di adattamento (adapter card) come back-end di TOTEM Investimento sinergico con altre attivita` (RD51 in primo luogo)

TOTFED con Opto-RX e connessione S-Link verso CMS Opzione SRS come back-end

motivazione L’ attuale sistema e’ costoso e complesso da gestire (crates VME e link CAEN proni a failure frequenti) e poco flessibile Durante il lungo shutdown 2013-2014 CMS (e quindi anche TOTEM) sostituira’ tutti i computer online I nuovi computer non avranno interfaccia PCI; sara’ necessario acquistare tutti i link VME Arrivare allo shutdown con una possibile soluzione alternativa meno complessa e meno costosa (niente crate VME, niente link VME da acquistare ) sara’ un vantaggio non trascurabile

“Prospects for Diffractive and Forward Physics at the LHC”, CERN/LHCC 2006-039/G-124 The Physics programme here described would be achievable up to a luminosity L = 2 1033 , 7 pile-up ev. per bx (upper limit), therefore no later than 2014 run Un gruppo di lavoro e’ attualmente in opera in TOTEM per studiare e valutare nuovamente il “physics case” alla luce delle attuali conoscenze

Upgrade relativi a futuri Run in comune con CMS Sostituzione parziale e/o totale dei sensori delle RP (vari scenari possibili) Upgrade dell’elettronica : VFAT2  VFAT3 (anche CMS/GEM e’ interessato) Gr. microelettronica del CERN (W, Snoeys , P. Aspell) Upgrade del DAQ (Hardware & firmware) : Rifacimento di T1 (R&D in corso) da affrontare se il caso di fisica lo merita

RP Requirements Definition of irradiation scenario and the needed radiation hardness VERY UNIQUE CONDITIONS!!! Radiation Hardness for very non-uniform irradiation Efficiency at the edge over the whole lifetime Considered technology: 3D Planar

Vari scenari sono allo studio: Scenario 0: Replacing Silicon sensors ONLY!!! Same hybrids/ MotherBoards/VFATS (but new production) The same for mechanics Scenario 1: Replacing Silicon sensors Improve mechanics/assembly to ease possible replacement of hybrids (minor) Scenario 2: Improve hybrids/ Motherboard (for better maintenance in view of longer running period) Improve(redesign good part of) mechanics/assembly (major) Same VFATS (new production)

T1 – CSC Limited by single channel occupancy before ageing, for L >1031 & bunch crossing < 75 ns

Pisa: Costruzione e test del primo prototipo di grandi dimensioni Costruzione di un primo prototipo di grandi dimensioni con la tecnica “Single Mask” Sviluppo di Readout Electronics (VFAT2 & TURBO) Tests in laboratorio e su fascio del prototipo di grandi dimensioni

Bari : realizzati e in fase di test 2 prototipi Segnali di corrente prelevati sull’anodo (rosa) e sul catodo (blu) in funzione del campo elettrico di deriva (a fissata ΔVGEM = 330V; miscela Ar80%:CO220%; FORI BICONICI) Tesi di R. Intonti

Una proposta di upgrade di TOTEM richiede: Un’approfondimento del “physics case” il completamento della fase di realizzazione e test su prototipi che riguardano RP, Large GEM, elettronica, DAQ Un accordo di collaborazione con CMS (di fatto una proposta congiunta) Possibile Schedula (molto indicativa) Decisione/finalizzazione del progetto 2012 Costruzione/realizzazione 2013/2014 Commissioning 2015

backup

GEM/MM al “laser” perche’ ? I laser ad impulsi ultrabrevi (<ns) che hanno una durata inferiore al tempo di interazione elettrone-fonone caratteristico del materiale irraggiato permettono di effettuare una ablazione “fredda” senza materiale fuso (vedi foto a destra). I vantaggi della ablazione “fredda” sono rilevanti nel caso di materiali multistrato (come il caso dei rivelatori GEM) in cui la radiazione laser interagisce progressivamente con materiali le cui proprietà termiche sono molto differenti tra di loro come il rame ed il kapton. Si utilizza un laser a Fibra ottica (sperimentale) Maximum power 10W frequency >100kHz Laser pulse = 100 ps; La tecnica usata per fare i fori prende il nome di “Mechanical trepanning” Vantaggi della tecnica “Laser” Flessibilita’ (nelle dimensioni, nel pattern, nelle forme, nella scelta dei materiali) Alta densita’ dei fori Possibilita’ di realizzare grandi dimensioni Mancanza di zone “morte” Semplicita’ nella realizzazione .... E inoltre Precisione nella realizzazione dei fori Automazione e standardizzazione in qualita dsper = 69,49 ± 0,75 µm

Dopo i primi test di fattibilita’ abbiamo realizzato altri prototipi al fine di ottimizzare i parametri di produzione E’ stata condotta un analisi al SEM e i piani ottenuti sono stati confrontati con quelli prodotti con tecniche “chimiche” standard Stiamo ancora lavorando su parametri quali Stabilita’ e lunghezza d’onda del laser possibili “bruciature” del Capton bagno chimico finale Abbiamo provato con la stessa tecnica a produrre MM

Laser drilling GEM MM Realizzati i primi prototipi con risultati interessanti, ma che richiedono un ulteriore salto di qualita’ (nuovo laser a impulsi piu’ corti ora disponibile) Realizzazione di un nuovo prototipo nei prossimi mesi Realizzati prototipi con 400x400 fori (1cmx1cm) A Saclay e’ stata realizzata una prima cameretta di test