P-ILC Proposta per un inizio di attivita’ Massimo Caccia Universita’ dell’Insubria / INFN Milano Napoli, 20 Settembre 2005

Parametri principali [  s = GeV  1 TeV integrated Luminosity 500 fb -1 over 1 st 4 years (L = 2 x cm -2 s -1 ) 80% electron polarisation  50% positron polarization 2 interaction regions with easy switching ( 2 & 20 mrad Xing angle) No. bunch/treno2820  t bunch [ns] ~300  t treni [ms] ~200  x,y [nm] 543,5.7  z [  m] 300 P beam [MW]11

Batch 2 Batch 3  t b1-b2 = 10 anni  t b2-b3 = 5 anni  gradiente b1-b3 ~ 3  costo b1-b3 ~1/4 3 batch di cavita: b1, b2, b3

 t bunch [ns]~300

Sezioni d’urto & “benchmark reactions”

Detector concepts SmallLarge XXL US EU ASIA

Design guidato dalla separazione tra sciami carichi e neutri:

ILC Milestones GDE (Design) (Construction) Technology Choice Acc CDR TDRStart Global Lab. Det. Detector Outline Documents CDRsLOIs R&D Phase Collaboration Forming Construction Detector R&D Panel Tevatron SLAC B LHC HERA T2K Done! Detector Piano di lavoro 05 + SNOWMASS 2005 Barry Barish GDE (Global Design Effort) Director

Un brainstorming lungo 15 giorni con 637 partecipanti … Italians: Pisa: Bellettini, Carpinelli, Cervelli, Pagliarone, Scuri Frascati: Bertolucci, Guiducci, Peruzzi, Piccolo, Raimondi, Milano: Bulgheroni, Caccia, Pagani Pavia: Introzzi

Un esempio: il VTX detector Working group (Y. Sugimoto, M. Battaglia & M. Caccia) Define the boundary conditions on the development: a.Physics needs (impact on physics benchmarks): –Radii – geometry –Material budget –Pattern recognition figures b.Running conditions: –Particle background –EMI background –Neutron flux –Ionizing radiation Engineering aspects: a.Cabling b.Mechanics c.Installation and maintenance d.Cooling e.Interactions with surrounding detectors f.Dependence of the VTX on the detector concept Sensor technology & evaluation figures: a.Single point resolution b.Backthinning c.Readout speed d.Radiation tolerance e.Power consumption f.Stability of the baseline technology Costing Software tools

Condizioni al contorno dello sviluppo del VTX detector risoluzione intrinseca e spessori dalla risoluzione sul parametro d’impatto e la geometria: R in = 15 mm R out = 60 mm  ip = [5  10/p sin 3/2  ]  m  point ~ 2.5  m spessore ~ 0.1%X 0 /layer (~100  m) velocita’ di lettura dalla densita’ di hit spuri di background:

vincoli sulla geometria dalla velocita’ di lettura; e.g. nel TESLA-TDR la modularita’ del layer interno era 8, allo stato attuale e’ 20, presumendo parallel column readout e lettura di un frame ogni 20  s vincoli sulla struttura meccanica e sullo spessore/strato dalla dissipazione termica e dalla temperatura di lavoro (air flow vs liquid cooling)  power cycle sfruttando il duty cycle basso & I leak da danneggiamento da radiazione radiation hardness ( ~ 10 9 n/cm 2 /anno e 5*10 12 e/cm 2 /anno) EMI compliant

Tecnologie ed architetture Architetture/ tecnologie Parallel Column readout In situ storage Sparse data scan CCDLCFI (UK)LCFI-ISIS- CMOSIRES (Strasbourg)RAL-FAPS“difficile” SOIPossibile DEPFETMPI-Bonn et al (D)--

The Frascati Brainstorming meeting June 7 th agenda:  Welcome address (Massimo, Marcello, Mario Calvetti) 15’  the Global Design Effort (David Miller) 30’  the ILC (Marco Battaglia) 45’  Detector and machine; concepts & status (Ties Behnke) 45’  Coffee! (16:45 -> 17:15)  Overview of subdetector concepts & international R&D’s: Vertexing (Marc Winter) 30’ Silicon Tracking (Aurore Savoy Navarro) 30’ Calorimetry & muon (J.C. Brient) 30’ June 8 th : brainstorming session within the subdetector panels  shape the possible Italian Contribution + to-do-list

Risultato principale del meeting di Frascati 4 sezioni pronte a formalizzare una proposta per un inizio di attivita’ nel 2006 (Milano, Pavia, Roma III, Ferrara) diverse sezioni contemplano una attivita’ in ILC a partire dal 2007 (Torino, Padova, Pisa, Frascati; interessi anche da Trieste, Perugia) le 4 sezioni che costituiscono il nucleo di questa proposta sono focalizzate sullo sviluppo di Rivelatori a Pixel Monolitici

La tecnologia di base: Miminum Ionising particle MOS Active pixel sensors I rivelatori a pixel monolitici basati sulla tecnologia e l’architettura dei CMOS imager per luce visibile rappresentano uno degli sviluppi piu’ avanzati per la rivelazione di particelle ionizzanti ad alta granularita’: Basati sulla raccolta della carica generata nello strato epitassiale (spessore 2-14  m, dipendentemente dalla tecnologia) (signale piccolo: ~80 coppie e-h/  m) Rivelatore a diffusione e non a deriva (il volume sensibile NON e’ svuotato  cluster di carica di dimensioni ~ 50  m, tempi di raccolta ~ 150 ns) Architettura di base semplice (3T: reset, indirizzamento, diodo collettore) Economica (e.g. ~ 50 kEUR per un engineering run, tecnologia AMS 0.6  m, 3 wafers + 3)

Runner-up technology: Silicon On Insulator su substrato ad alta resistivita’ SUCIMA Meeting con mr. YAMAMOTO, HAMAMATSU PHOTONICS, disponibile ad intraprendere una linea di sviluppo dedicata al tracking ad alta granularita’ (6 Settembre; + Bonn, AGH-Krakow, KEK(?))

Le attivita’ proposte sviluppo di un rivelatore a Pixel monolitico che implementi un sistema di sparsificazione on pixel progettazione e realizzazione di un sistema di acquisizione dati che possa processare in tempo reale unita’ di 1 Mpixel progettazione e messa in opera di un telescopio per la caratterizzazione su fascio dei rivelatori in fase di sviluppo

Sviluppo di una architettura di sparsificazione motivazione : garantire una architettura compatibile con un tasso di background dell’ordine di 5 hit/cm 2 /bunch crossing  frame rate a 50 kHz (20  s), mantenendo le prerogative di risoluzione per punto e spessore del rivelatore tali consentire una risoluzione sul parametro di impatto di 5  10/(P sin 3/2  )  m principale difficolta’: implementare circuiti NMOS & PMOS nella cella senza indurre perdite di efficienza di raccolta di carica “workhorse”: tecnologie 0.13  m con “triple well”;

Piano di lavoro: 2006, primo semestre: test delle strutture 8x8 pixel in 0.13  m (STm & IBM) (PRIN-Bg, Pv & Pisa) ed n x n pixel in 0.25  m (TSMC) (MIMOSA-GR 5 Roma III e Milano) 2006, secondo semestre: progettazione, produzione e caratterizzazione di strutture di test tecnologiche e circuitali per la realizzazione del circuito di sparsificazione 2007, primo semestre: realizzazione di una matrice < 64 x 64 pixel che integri il circuito di sparsificazione on-cell e con limitata funzionalita’ di controllo a bordo 2007, secondo semestre: caratterizzazione sotto punte, con sorgenti e laser e test su fascio 2008: prototipo che integri la logica di controllo; valutazione della necessita’ di integrare un ADC (NON on cell ma per chip) Attivita’ permanenti: technology watch, inclusa la possibilita’ di orientarsi sulla tecnologia SOI (partenariato con HAMAMATSU)

Sviluppo di un sistema di DAQ Motivazione: realizzare un sistema di acquisizione dati in tempo reale che consenta la “zero suppression” di sistemi a n Mpixel, con n > 1, e frame rate da 0.1 – 50 KHz. background: il SUCIMA imager e sistemi analoghi sviluppati da Strasburgo

Piano di lavoro: 2006, primo semestre: progettazione del primo prototipo di scheda di DAQ con funzionalita’ ridotte 2006, secondo semestre:integrazione della scheda nel sistema di acquisizione del telescopio a strip in fase di realizzazione 2007, primo semestre: integrazione delle funzionalita’ avanzate (soppressione degli zeri). Test e commissioning. 2007, secondo semestre: compatibilita’ con I diversi sensori in fase di sviluppo. Definizione dei parametri per un telescopio basato su 1 Mpixel sensors. 2008: realizzazione di un DAQ per un telescopio basato su MIMOSA 5 Attivita’ permanenti: compatibilita’ con I diversi sensori (CCD, DEPFET, MAPS, SOI). Definizione di uno standard di lavoro.

Costruzione di un “telescopio” Piano di lavoro > primo semestre 2007: realizzazione e messa in opera di un telescopio a strip (HW da ROMA III): 12 piani di rivelatori a strip, Passo di lettura 50 micron secondo semestre > 2008: realizzazione di un “pocket telescope” basato su 4 piani si MIMOSA 5

Risorse

Richieste finanziarie 2006

Last, but not least… partecipazione a EUDET (an I3, EC program) partecipazione al programma di R&D con HAMAMATSU, una volta siglata una LOI ed un Memorandum of Understanding con i possibili partner [costo stimato del primo anno di attivita’ ~ 100 kEUR; partner interessati finora: P_ILC, Bonn, AGH-Krakow. Contatti con KEK]