Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 1 Calorimetro elettromagnetico ad Argon liquido dell'esperimento ATLAS stato attuale del sistema, previsioni attività della sezione di Milano

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 2 Ricercatori e Tecnologi: G. Battistoni (30%), D. Camin (10%), L. Carminati (100%), D. Cavalli (50%), M. Citterio (30%), G. Costa (100%), M. Delmastro (100%), M. Fanti (100%), L. Mandelli (100%), M. Mazzanti (100%), P. Nason (10%), L. Perini (100%), S. Resconi (100%), F. Tartarelli (100%) Tecnici: R. Bertoni, G.P. Braga, B. Monticelli, F. Sabatini Totale 10,3 PE + 4 PE CTER Laureandi: D. Banfi, M. Bettinelli Responsabilita’ in ambito LAr: L. Mandelli: LAr representatives group (chairman) LAr EM representatives group M. Mazzanti: EM electrode steering group M. Citterio: LAr deputy electronic coordinator Front-end electronics (chairman) Installation task force (chairman)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 3 FCAL HEC TILECAL EMB EMEC Calorimetro e.m. (piombo / Argon liquido con geometria “accordion”) EMB: 2 half-barrel (|  |<1.4) EMEC: 2 end-cap (1.4<|  |<3.2) Calorimetria di ATLAS endcap A endcap C barrel

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 4 Calorimetro e.m. barrel: il rivelatore moduli (16 per half-barrel) un modulo contiene: –64 assorbitori piombo/acciaio transizione nello spessore del piombo a  =0.8 –64 elettrodi rame/kapton HV+raccolta di segnale elettrodo diviso in parte A (  0.8) –3444 canali di read-out per modulo canali di read-out in tutto il barrel

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 5 Calorimetro e.m. barrel: segmentazione longitudinale segmentazione in profondità del modulo (“layers”): –strips (o front): granularità fine in , per separazione  0 /  (1792 canali) –middle: raccoglie la maggior parte dell'energia (896 canali) –back: stima del “leakage” longitudinale (448 canali) presampler : –posto davanti al modulo, identificazione di “pre- showering” (244 canali) transizione piombo elettrodi Aelettrodi B strips middle back

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 6 Componenti “a freddo” (passivi): –Summing Board (SB) (216/modulo) somma segnali da diversi elettrodi –Mother Board (MB) (28/modulo) raccoglie segnali in uscita distribuisce impulsi di calibrazione –cavi di lettura e di calibrazione Front-End Crate (FEC) (1/modulo): –Front-End Board (FEB) (128/FEC) amplificazione, formatura, digitalizzazione, trigger (LVL1),... –schede di calibrazione (2/FEC) generano impulsi esponenziali sulle linee di calibrazione Calorimetro e.m. barrel: il read-out

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 7 Calorimetro e.m. barrel: stato attuale, previsioni Assorbitori: prodotti ~85% Elettrodi: –produzione a piatto finita per luglio 2002 (+9% spares) –piegatura/test finiti entro ottobre 2002 Presampler: 15 settori finiti (su 64) Criostato: arrivato in luglio 2001 –perdita a freddo rilevata e riparata –installazione feedthrough's completata Moduli: (3 stazioni di assemblaggio/test: Annecy, Saclay, CERN) –14 finiti, 2 in fase di assemblaggio (16 moduli in un 1 half-barrel) –produzione moduli finita per primavera 2003 –integrazione moduli iniziata –inserzione nel criostato: 1º half-barrel: novembre º half-barrel: giugno 2003 –test a freddo in luglio 2003 Installazione nel pozzo: aprile 2004

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 8 Calorimetro e.m.: moduli assemblati e cablati Barrel Endcap

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 9 Calorimetro e.m. barrel: integrazione moduli

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 10 Criostato barrel criostato esterno inserzione dei feedthrough’s criostato interno

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 11 Calorimetro e.m. endcap: stato attuale, previsioni Assorbitori: prodotti ~55% Elettrodi: –produzione a piatto finita per luglio 2002 (+9% spares) Presampler: 16 moduli finiti Criostato C: (EMEC, HEC, FCAL) –arrivato in marzo 2002, perdita osservata a freddo, risolta –installazione feedthrough's in corso –test finali per maggio 2002 Criostato A: (EMEC, HEC, FCAL) –atteso per ottobre 2002 Moduli: (2 stazioni di assemblaggio/test) –5 finiti, 3 in fase di assemblaggio (una “ruota” contiene 8 moduli) –produzione moduli finita per novembre 2002 (C) e ottobre 2003 (A) Installazione nel pozzo: –endcap C: marzo 2004 –endcap A: novembre 2004

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 12 Criostato endcap

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 13 Hadronic EndCap: stato attuale, previsioni HEC: (rame/LAr) –prodotti 107 moduli (su 134), 83 testati a freddo –moduli finiti per primavera 2003 –elettronica a freddo ormai completata 107 moduli assemblati 83 moduli testati a freddo

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 14 Hadronic EndCap: layout

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 15 Forward CALorimeter: stato attuale, previsioni FCAL-C: (rame/LAr + tungsteno/LAr) –assorbitori ormai completati –inserzione barre di tungsteno iniziata –moduli completi per metà 2002 FCAL-A: (rame/LAr + tungsteno/LAr) –tempi di realizzazione determinati dalla produzione delle barre di tungsteno (Russia,Cina) –presumibilmente pronto per autunno 2003

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 16 Diodi di protezione delle resistenze di calibrazione “pettini” modificati con diodi di protezione I “pettini” modificati sono usati nel cablaggio dei moduli. Sui moduli gia’ cablati è in corso il “retrofitting”: –3 moduli modificati (nessun problema) –3 moduli ancora da completare Nessun modulo retroffitato verrà testato su fascio The combs with long pins are inserted here Mother Board Summing Board G10 Board Long Pins Modified comb. It contains the protection diode

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 17 ATLAS programma di installazione

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 18 Attività a Milano Hardware –equipaggiamento/test elettrodi “B” calorimetro e.m. barrel –produzione/test preamplificatori calorimetro e.m. (50% con BNL) Ricostruzione del segnale –trattamento segnali dal calorimetro e.m., calibrazione Test beam –analisi dati (qualità dei moduli, uniformità, …) Simulazioni di fisica / Studio di performances –studio di H 0   (ricostruzione di , separazione  /  0 ) –studio di A 0   (ricostruzione di jet da leptoni , ricostruzione p T miss )

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 19 Test elettrodi “B” situazione al 30/4/ elettrodi arrivati 1532 elettrodi accettati 118 elettrodi scartati situazione al 30/4/ elettrodi spediti fine test per ottobre 2002

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 20 Test elettrodi “B” frazione di elettrodi accettati (fino al 30/4/2002) numero di riparazioni (fino al 30/4/2002)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 21 Produzione/test preamp's Preamplificatori in tecnologia ibrida: Produzione completata all’inizio di Aprile 2002 accettati di cui ~ 1000 “spare”

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 22 Produzione/test premp's Risultati test di qualita’ produzione massa (campione finale di canali 50  /1 mA) GuadagnoPeaking time (5%-100%)Equivalent Noise Current Limiti di accettabilita’ imposti dalle specifiche del Technical Design Report

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 23 Ricostruzione del segnale segnale di calibrazione (esponenziale) segnale di ionizzazione (triangolare) segnali uscenti dallo shaper: “fisica” (ioniz.) calibrazione Il guadagno di ogni canale è calibrabile elettronicamente, iniettando impulsi elettrici noti con precisione I segnali di fisica e di calibrazione in uscita sono diversi, per forma e normalizzazione: diverso il segnale iniettato diverso il punto di iniezione

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 24 Ricostruzione del segnale A  segnale bipolare: durata del lobo positivo ~125 ns segnale campionato ogni 25 ns: –normalmente 5 campionamenti S k –  stima di ampiezza A e tempo  Online: fit parabolico su 3 punti “Optimal Filtering”: più preciso –A =  k a k S k, A  =  k b k S k – a k, b k ottimizzati per minimizzare rumore –occorre conoscere forma e normalizzazione del segnale Segnale di calibrazione: OK Segnale di fisica ???

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 25 Ricostruzione del segnale “mock-up” del calorimetro e.m. mother board summing boards catena di cavi completa (calibrazione+read-out) iniettori del “segnale di fisica”

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 26 mock-up: raffreddamento cavi N2 liquido impedenza cavi di calibrazione: a caldo ~ 58  a freddo ~ 52  inoltre diminuisce skin-effect

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 27 Ricostruzione del segnale misure sul “mock-up” fisica calibrazione L-effect rapporto picchi fisica/calibrazione ~0.2%/nH induttanza L per diverse celle

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 28 LC : frequenza risonante - T C : tempo di calibrazione Possono essere ricavati dal segnale di calibrazione? ampiezza del segnale di fisica optimal filterin g segnale di fisica campionato forma e normalizzazione del segnale di fisica funzione di convoluzione ampiezza del segnale di calibrazione Ricostruzione del segnale optimal filterin g segnale di calibrazione campionato LC T C forma e normalizzazione del segnale di calibrazione run di rampa run di delay ?

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 29 Ricostruzione del segnale strategia per misurare l’ampiezza del segnale occorre conoscerne la forma: segnale di calibrazione V out cali (t) –forma e normalizzazione note con precisione (run di “delay” e di “rampa”) segnale di “fisica” o di ionizzazione V out phys (t) –forma e normalizzazione ricavabili analiticamente da V out cali (t) purché siano noti i parametri LC (frequenza risonante) T C (tempo caratteristico di calibrazione, ~360 ns) T D (tempo di deriva, ~450 ns) è possibile determinare LC, T C dallo studio di V out cali (t) T D va misurato dal segnale di fisica o stimato con simulazioni

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 30 Ricostruzione del segnale modello in frequenza - 1 segnale di ionizzazione sulla linea: segnale di calibrazione sulla linea: funzione di trasferimento da corrente sulla linea a tensione in uscita: il segnale di ionizzazione è triangolare e generato sulla capacità di detector: il segnale di calibrazione è esponenziale e iniettato sulla Mother Board:

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 31 Ricostruzione del segnale modello in frequenza - 2 rapporto fra le ampiezze di segnali di calibrazione (I 0 cali, NOTA) e di ionizzazione (I 0 phys, INCOGNITA) forme d'onda (V out cal (t) MISURABILE con precisione, V out phys (t) campionata ogni 25 ns) correzione del punto di iniezione (occorre conoscere LC) correzione da triangolo a esponenziale (dipende da T D, T C ) indipendente dalla linea di read-out ( Z line, H(  ) ) occorre conoscere: LC, T D, T C

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 32 T 2 =  LC minimizzazione coda segnale risposta a  (t) cos(t/T 2 ) funzione di convoluzione U 2 (t;T 2 ) risposta a  (t) (funzione-gradino) T 1 = T C minimizzazione coda segnale risposta a exp(-t/T C +t/T 1 ) Ricostruzione del segnale calcolo di T C e LC funzione di convoluzione U 1 (t;T 1 ) risposta a segnale esponenziale I 0 cali exp(-t/T C )

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 33 Ricostruzione del segnale calcolo del parametro T C Segnale di calibrazione esponenziale: – I inj cali (t)= I 0 cali exp(-t/T C ) –tempo caratteristico di V out cali (t) è T C  360 ns (oltre che altri tempi  10 ns) Se iniettassi funzione-gradino  (t) mi aspetterei una coda più corta nel tempo –definisco funzione U 1 (t;T 1 ) tale che I inj cali (t)  U 1 (t;T C )=  (t) –calcolo V out step (t)=V out cali (t)  U 1 (t;T 1 ) –cerco valore di T 1 che minimizza la coda (e.g. t>600 ns) –  si ottiene stima di T C. in realtà la situazione è complicata dalla presenza di resistenze parassite  altri parametri in più. — V out cali (risposta a esponenziale) — V out step (risposta a gradino, calcolata) — V out step (risposta a gradino, misurata) — differenza

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 34 Ricostruzione del segnale calcolo del parametro LC Se iniettassi funzione-coseno cos(t/  LC) (frequenza risonante) tutto il segnale passerebbe per il ramo L-C –definisco funzione U 2 (t;T 2 ) tale che I inj step (t)  U 2 (t;T 2 )= cos(t/T 2 ) –calcolo V out cos (t)=V out step (t)  U 2 (t;T 2 ) –cerco valore di T 2 che minimizza la coda (e.g. t>400 ns) –  si ottiene stima di LC. anche qui la presenza di resistenze parassite causa la presenza di un segnale residuo in uscita  altro parametro — V out cali (risposta a exp) — V out cos (risposta a cos, calcolata)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 35 canale TCTC calcolato misurato canale  1/  LC (Hz) la discrepanza è dovuta alla mother board Ricostruzione del segnale calcolo di T C e LC (sul mock-up) T C = (431  10) ns segnale di calibrazione, misurato alla mother board T C calcolato (420  425 ns)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 36 Ricostruzione del segnale stato dell’arte, prospettive i parametri elettrici sono determinabili dal segnale di calibrazione analisi su dati dal “mock-up”: –metodo provato con successo –valori estratti di LC, T C compatibili con misure dirette –predizione della forma del segnale di fisica (lavoro in corso...) analisi su dati dal test beam: –segnale di calibrazione misurato ogni ns per 800 ns (solo su poche celle) –estrazione dei parametri LC, T C dà valori ragionevoli programma per test beam 2002: –misura del segnale di calibrazione per 800 ns su una vasta area –calcolo di LC, T C e predizione forme d’onda –calcolo coefficienti di “optimal filtering”, verifica sull’uniformità

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 37 Test su fascio situazione/programma “moduli-0” (prototipi “full-scale” barrel e endcap) –studiati diffusamente nel –risultati di prossima pubblicazione su NIM 4 moduli “di produzione” studiati su fascio nel 2001 –2 moduli “barrel” e 2 moduli “endcap” altri 3 moduli saranno studiati nel 2002: –1 modulo “endcap” (27/5  12/6) –2 moduli “barrel” (19/6  4/7 e 24/7  7/8) test beam combinati e.m.+had: –EMEC + HEC agosto 2002 –EMB + TILECAL nel 2004

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 38 Test su fascio “modulo 0” barrel

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 39 Test su fascio “modulo 0” endcap

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 40 Test su fascio qualità dei moduli “di produzione” Mod 13 (14 giorni, luglio 2001) 98.8% canali OK (su 2409) –problemi dovuti a cablatura nel setup del test beam esposto al fascio 55% –problemi di fascio SPS –alimentatore HV instabile (modulo OK) Mod 10 (14 giorni, ottobre 2001) 98.9% canali OK (su 3120) –problemi dovuti a cablatura nel setup del test beam esposto al fascio 85% 3 settori con HV su un solo half-gap –problema nel feedthrough (modulo OK)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 41 Test su fascio problema HV “dimezzato” (M10) Mod 10 un solo half-gap alimentato in 3 settori fattore 2 inserito ad hoc non idoneo studi dettagliati in corso, su un settore “dimezzato” artificialmente

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 42 M13 M10 Test su fascio ostacolo sul fascio (M13) profilo del fascio nelle camere (integrato su tutti i run) energia vs  w.r.t. centro-cella (integrato su tutti i run)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 43 Test su fascio uniformità in energia ricostruzione con “fit parabolico” ricostruzione con “optimal filtering” normalizzazione errata (effetto induttanza) normalizzazione corretta resta effetto leakage:  E=2.5 GeV per  [0;0.8] E beam = 245 GeV

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 44 Test su fascio “ripesamento” di Presampler e Back profondità in unità di X 0 E opt =  w k E k ; w k = pesi dei layers minimizzazione analitica di  E opt  /  E opt  peso del Presampler vs  peso del Back vs  confronto correzione pre-shower correzione leakage

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 45 correzione dell'energia persa a monte del Presampler (preshowering) e a valle del Back (leakage longitudinale) applicando fattori correttivi w k alle misure dei 4 layers: i “pesi” w k si determinano minimizzando la risoluzione relativa: soluzione analitica: viene fissato richiedendo che i “pesi” di Strips e Middle siano =1 Test su fascio “ripesamento” (dettagli matematici)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 46 Test su fascio uniformità in energia ricostruzione con “optimal filtering”  E /  E  = 1.0% transizione piombo pendenza  leakage “optimal filtering” e ripesamento  E /  E  = 0.9% leakage corretto E beam = 245 GeV

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 47 Test su fascio riassunto, conclusioni Mod 13 esposto al fascio 55% del modulo ostacolo lungo il fascio –peggiore misura di energia e di risoluzione uniformità su tutto il modulo: 0.9% uniformità per mother board (8x8 celle): 0.5%  1.1% Mod 10 esposto al fascio 85% del modulo HV su un solo half-gap in 3 settori –studiare fattore correttivo uniformità su tutto il modulo: 0.9% uniformità per mother board (8x8 celle): 0.4%  0.9% risultati migliorabili  ulteriori studi in corso (termine costante nominale = 0.7%)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 48 Simulazioni di fisica, studio di performances studio di H 0   –ricostruzione di , separazione  /  0 studio di A 0   –ricostruzione di jet da leptoni  –ricostruzione p T miss performances studiate estensivamente sul vecchio software ATRECON (in FORTRAN) –vd. “Detector and Physics Performance TDR - II” LHCC in esame le performance del nuovo software ATHENA (in C++)

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 49 Separazione  /  0 (Canale H 0   ) separazione grazie alla granularità molto fine in  delle Strips: –presenza di un 2° massimo –larghezza dello sciame –energia fuori dal “core” dello sciame... studi effettuati in passato con ATRECON: –vd. “Detector and Physics Performance TDR - II” LHCC –efficienza sui  = 90% –fattore di reiezione dei  0  3 studi ripetuti con ATHENA: –efficienza e reiezione compatibili a quelli ottenuti con ATRECON

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 50 separazione  /  0 (E T 2nd maximum)-(E T minimum) (E 7 - E 3 )/E 3 (E T 2nd maximum) shower width measured in strips

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 51 Athena : <>=2.27 RMS=1.1 RMS=1.1 Atrecon: <>=2.29 RMS=1.1 RMS=1.1 Athena : <>=0.067 RMS=0.042 RMS=0.042 Atrecon: <>=0.066 RMS=0.039 RMS=0.039 Athena : <>=0.111 RMS=0.074 RMS=0.074 Atrecon: <>=0.115 RMS=0.070 RMS=0.070 Athena : <>=0.006 RMS=0.007 RMS=0.007 Atrecon: <>=0.007 RMS=0.008 RMS=0.008 Athena = Atrecon= ricostruzione e identificazione basata sulle informazioni dai calorimetri e dall’inner detector: –“raggio” nel calorimetro e.m. –isolamento nel calorimetro –larghezza nelle strips –numero di tracce cariche associate canale A 0   : efficienza = 30%, reiezione di jets adronici ~2000 confronto ATHENA / ATRECON Jet da leptoni  ricostruzione e identificazione

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 52 Momento trasverso mancante ricostruzione e calibrazione P T miss quantità cruciale per studi di SUSY risoluzione di P T miss cruciale per il canale A 0   (ricostruzione della massa) P T miss ricostruito con tutte le celle del calorimetro (incluse nei clusters ed esterne ai clusters) effetti importanti: –noise/pileup –zero-suppression nei calorimetri –calibrazione/intercalibrazione dei calorimetri bassa luminosità

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 53 Conclusioni Impegni hardware contemplati nel CORE in fase conclusiva –extra-costi = +20% (in CHF) Incremento di attività nei campi: –simulazioni di fisica / studio di performance –ricostruzione di segnale –test beam Possibili attività future: –test beam combinato EMB+TILECAL (+MU? +Tracker??) –sistema di monitoraggio temperatura nel criostato durante i test di cool-down (e forse in ATLAS ?) –misura a freddo dei canali EMB con tecnica Time Domain Reflectometry (TDR) –misure del noise coerente su Reference Crate

Frascati - 14 maggio 2002 Marcello Fanti, Univ. & INFN Milano 54 Costi CapitoloContributo Milanoprevistoreale (%)(kCHF)(kCHF) Componenti, schede multi-layer, cavi Test elettrici per elettrodi kapton Produzione industriale elettrodi kapton Contatti di massa Logistica Preamp’s a caldo per EM e FCAL Totale