INFN Roadmap “SLHC: Costo per R&D nel quinquennio Convener: M. de Palma

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC2 Out line  Schedule dell’upgrade  Necessità di ATLAS e costi per INFN*  Necessità di CMS e costi per INFN*  Costo totale e conclusioni * Limitatamente agli item in cui INFN è coinvolto

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC3 Schedule I tempi assunti dal WG:  Programma generale di R&D.  Definizione del progetto di upgrade (entro un chiara definizione della macchina SLHC); prototipi  (?) preserie, inizio costruzione  (?) Costruzione  2015(?)- 2017(?) Assemblaggio, integrazione,commissioning….  Running

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC4 Considerazioni Per ATLAS, le valutazioni sviluppate dai singoli gruppi sono armonizzate da un Documento preparato dall’Atlas High Luminosity Upgrade Steering Group “Cost estimate for an ATLAS upgrade for a high luminosity LHC (SLHC)” (draft del 22/11/2005): Tale documento contiene ancora elevati livelli di incertezza ma è un utile sistema di riferimento Per CMS, manca ancora una armonizzazione a livello di collaborazione, pertanto le stime dei costi, anche se limitate agli R&D, sono solo elaborazioni dei singoli gruppi e quindi potrebbero essere non molto precise. Per entrambi si assume lo share degli attuali MoU ma questi ovviamente potranno cambiare o essere ricontrattati. La fase di R&D per i tracciatori è attualmente stimata separatamene per i due esperimenti. Si dovrebbe cercare degli item comuni e farli convergere in una unica linea di sviluppo con probabili risparmi.

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC5 ATLAS- Muon system MDT: le detector performance, l’elettronica di Front-end e quella del LV1 dovrebbero essere OK con un accettabile degrado. Al momento, la quantificazione dei costi è dettata dal rischio: se livello basso  0 €;  se livello alto (test di irraggiamento a GIF)  scelta  se occorre rimpiazzare camere  ??? RPC: Le detector performance e l’elettronica di Front-end dovrebbero essere OK ( necessari test alla GIF) Shielding upgrade: è indispensabile (beam pipe in berillio e nuovi schermi in avanti) ed ha un costo per INFN

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC6 Atlas – Calorimeters LAr: Il rivelatore (con qualche limitazione per ionizzazione, carica spaziale,……) è assunto Ok E’ probabile l’upgrade (non la sostituzione)del sistema di HV e del DCS E’ sicuro l’upgrade dell’Elettronica di read-out system Specifico interesse dell’INFN per R&D, con partecipazione al costo totale con lo share dell’ MoU Tile: Si assume che il detector, i PMT non saranno cambiati, parti non resistenti alla rad. (LVPS) saranno sostituite, mentre l’elettronica di F.E. sarà ridisegnata e sostituita. Si parteciperà al costo degli R&D e dell’upgrade.

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC7 ATLAS Tracker Si ricorda che il tracciatore interno va completamente sostituito e l’idea è di avere un sistema tutto basato su silici. La stima dei costi è basata su un layout preliminare. Si assume una parte interna coperta da rivelatori a Pixel e una parte esterna coperta da microstrip,probabilmente suddivisa in 2 regioni di differente granularità. (I parametri precisi dovranno essere ottimizzati ) Si conserva lo share dell’ MoU: nell’ID è del 6.3 % e nel Pixel del 31.8 %. L’ INFN intende confermare l’ impegno nella parte a pixel  Per il rivelatore a Pixel si assume un area doppia di quella attuale (4 strati)  Si assume anche che parte dei servizi (50%) siano riutilizzabili, mentre l’elettronica off-detector di R/O sia da ridisegnare  Alimentatori dovranno essere aggiunti per coprire in nuovi moduli (50%).  Si è considerata una contingenza del 30%  Si sono considerati pure costi di NRE (per l’elettronica) e di R&D specie su sensori

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC8 Atlas - Costi

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC9 CMS (I) MUON System - DT Le camere dovrebbero funzionare e non si dovrebbe intervenire Ok.  Nell’ ipotesi di BC a 40 MHz, va rifatta l’elettronica di trigger mentre si può conservare quella di read out (se non ci saranno problemi di danni da rad.)  Con Cambio del BC, il TDC va bene ma bisognerebbe cambiare anche il resto del read-out. C’è l’ipotesi di modifica delle HV per l’indentificazione del BX con le sole DT, porta ad un incremento sensibile dei costi, ma va discusso in CMS Muon system RPC Nella parte barrel dovrebbe funzionare tutto (rivelatore, elettronica F.E., elettronica di trigger) Ok sebbene al limite per il rivelatore e il trigger La situazione è molto diversa per End-Cap dove però con c’è una implicazione INFN

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC10 CMS (II). ECAL: Considering work for disassembly and refurbishing (at least 2 years) and the costs involved, ECAL could be used even with a degradeted performances (to be studied !) due to decrease of LY, increase of noise and pileup.For the Endcap, the situation is more difficult. Read out chain should be OK for BC 2 X 40 MHz TRACKER: The silicon sensor (both strip and pixel) and electronic would suffer substantial radiation damage strongly degrading the performance. Most of material (frames, glues, insulators… etc.. are not tested to the dose above.  The inner detector system must be completely rebuilt

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC11 CMS – Tracker TIB/TID Consortium has mainly interest to rebuild the internal part of the Tracker Sensor development Electronics (including Trigger at Level-1) – see A. Ranieri talk Four main sub-systems for Tracking –8, 11 and 14 cm, p + -on-p (current pixel technology) Pixel area ~ 100  m x 150  m –18, 22 cm, Czochralski, n + -on-p Pixel area ~ 160  m x 650  m –30, 40 and 50 cm Macro pixel or micro strips (area 200  m x 5 mm/  m x 3 cm) –Larger radii Silicon strip technology Intermediate prototypes in about 5 years –Layer 0 (close to the beam) –Layer 4 (between current pixel and SST) –Engineer prototype for outer layers

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC12 CMS – Tracker, INFN R&D interests Phase I (R&D) –Sensors (Learning and re-qualification) Some Laboratories will use the current hybrid-pixels of CMS Some Laboratories will start the test of the new pixel technologies (3D, EPI) Some Labs will investigate strips For all Labs, need some re-qualification of the test equipment Test beams –Electronics (new chips 0.13 mm or less technology) Costs of R&D Trigger chip –Mechanics (+ services and cooling) –Simulations Phase II (pre-series) –Prototypes and pre-series of modules for all layers Barrel only with an expect 50% from INFN

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC13 CMS - Costi

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC14 Conclusioni  I tempi potrebbero dilatarsi (shift di 1,2,.. Y ?)  Gli R&D per i tracciatori dovrebbero effettivamente iniziare nel 2007  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

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC15 altre

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC16 ATLAS - Muon system from P.Bagnaia, L. Nisati The detector performance should be Ok with a acceptable degradation of the spatial resolution. The Front-end electronic should be Ok with some problems with high rate but on DAQ side. Also the LV1 electronic should be Ok If BC < 25 ns If the trigger decision can be taken on 2 and BCID done al LVL2 SLHC LHC Single tube resolution (bck x 5, x 2 worsening for charge fluctuation) MDT Muon system designed with a 5 safety margin on bck rate

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC17 ATLAS - Muon system from A. Di Ciaccio All along the test (8 ATLAS year, safety factor 5 = 100 Hz/cm 2 ), chamber performance (efficiency, cluster size, rate capability) have remained largely above the actual ATLAS requirements and cover the SLHC request. (provided that Temperature, RH of the environment and gas mixture are kept at a proper value) The detector performance should be OK Since all tests have been done with final Front-end electronic that should be also OK (without safety factor on bkg level) At SLHC additional shielding and beryllium beam pipe should be inserted to further decrease (x 2 reduction) the background rate  The expected rate in the Barrel muon system could be estimated ~ Hz/cm 2 SLHC RPC RPC efficiency after 7 ATLAS year Few Hz 500 Hz

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC18 Atlas – LAr Calorimeter from M. Citterio The liquid argon calorimeter was optimized for the nominal LHC luminosity, a x 10 increase of this luminosity would rise concerns on: 1)Space charge effects → signal reduction 2)Argon contamination → signal reduction 3)Charge density increase → pile-up 4)Activation → noise increase 5)phase instability → operation problems 6)Voltage drop in the HT distribution → rate dependent response 7)General radiation damage of electronics → single element (now built in 13 different ICs) could not be changed (next slide) 8)The high occupancy of SLHC require a new read-out chain design 9)A BC rate > 40 MHz require new pipeline

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC19 CMS – EM Calorimeter from N. Pastrone Crystal The dose in the Barrel (  = 2.4) goes from to 1.5 Gy/h, in the EndCap it reaches 30 Gy/h at  = 2,6 and 75 Gy/h at  = 3. Those produce at SLHC a significant change in LY: drops by ~25% in barrel, 30% Endcap. In EndCap we are close to the “saturation” condition. Still more study are needed ( irradiation test, calibration study…) LY for different densities of colour centres ( Radiation damage increase colour centres)

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC20 CMS – EM Calorimeter (II) Photosensors In Barrel, sensible increase of leakage current (20  A/Y at SLHC) of APD is expected. It translates in large increase in electronic noise ( ~190 MeV per channel with respect to ~ 40 MeV al LHC) (study performance with higher n fluxes) In Endcap, VTP glass window has to be tested at the expected dose. In conclusion: Considering work for disassembly and refurbishing (at least 2 years) and the costs involved, ECAL barrel could be used even with a degradeted performances (to be studied !) due to decrease of LY, increase of noise and pileup. For the Endcap, the situation is more difficult. Read out chain should be OK for BC 2 X 40 MHz

Roma, 11 Gennaio 06M de Palma, WG SLHC21 Atlas - hadron calorimeter from T. Del Prete Detector should be OK A decrease of the light budget produces a degradation of the energy measurement (3-5%) which effects Jet Energy Reconstruction.  /E ≈ 34  ≈ for E jet = 100 GeV All Electronic components have been tested above the rad doses for They should survive L = but no NO safety margin. Some part: (Mother Boards, Digitisers, Interface…..) are more rad-fragile If SLHC needs to increase BC rate, all the F/E logic has probably to be redesigned.