Ricerca e sviluppo per la sperimentazione ad un collisionatore lineare Marcello Piccolo Frascati 12/11/2003 This presentation will probably involve audience.

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2 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 2 Agenda Considerazioni generali sulla sperimentazione ad un collisionatore lineare Qualche esempio Le linee di ricerca e sviluppo INFN. Ricercatori coinvolti Conclusioni

3 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 3 Qualche considerazione generale Tipica reazione delle persone non coinvolte nel progetto: –Disegno dell’apparato sperimentale non critico. –Un apparato alla LEP/SLC …magari un po’ piu’ grande andrebbe benissimo L’atteggiamento non e’ completamente irragionevole, ma secondo me non molto lungimirante: –In effetti molto del programma sperimentale potrebbe essere svolto da rivelatori gia’ progettati, ma si potrebbe poi fare tutto ?

4 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 4 Qualche considerazione generale (cont.) La differenza piu’ evidente tra la sperimentazione ai collisionatori adronici e quella ai collisionatori leptonici e’ che la prima tende ad essere “background limited”, mentre la seconda tende ad essere ‘rate limited”. Esistono per altro anche situazioni diverse da quella di cui sopra, ma i due mondi della sperimentazione tendono ad allinearsi secondo queste due direttrici.

5 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 5 Qualche considerazione generale (cont.) In generale quindi, il tipico apparato da collisionatore adronico e’ costituito da componenti robusti, resistenti a radiazione che discriminino i processi interessanti, anche se poi la efficienza di rivelazione non e’ altissima… Viceversa il problema del rate per i collisionatori leptonici e’ importantissimo, e gli apparati vanno disegnati tenendo bene in mente i processi da rivelare e le misure che le luminosita’ permettono di effettuare. In questo senso e’ ragionevole intraprendere programmi di Ricerca e Sviluppo per la sperimentazione ad un linear collider, pure se, per parte del programma di Fisica, Delphi o SLD potrebbero fare un ottimo lavoro.

6 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 6 Qualche esempio Il processo tipico sempre invocato per stabilire le risoluzioni nel comparto di tracking dell’apparato e’ la produzione di Z e H. Ma una volta visto l’Higgs come massa mancante alla Z, uno dei risultati importanti sarebbe, ad esempio, la misura dei branching ratios non-leading (cc/gg/  giustamente considerato uno dei pezzi forti ( e qualificanti) del programma sperimentale del linear collider… Per portare avanti questo tipo di misura si dovra’ essere in grado di etichettare con buona purezza e OTTIMA efficienza sia gli stati charmati che i  ( lunghezza di decadimento piu’ piccola degli stati con beauty) che quelli originati da gluoni ( senza vertici separati). Tenuto conto degli spettri di impulso con cui si ha a che fare una riduzione sostanziale dello spessore del rivelatore permetterebbe notevoli incrementi di efficienza.

7 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 7 Qualche esempio (cont.) Un esempio ancora piu’ importante e’ quello che riguarda la calorimetria: Uno dei cardini della rottura della simmetria elettrodebole e’ il meccanismo di Higgs: il potenziale dell’Higgs e’ completamente caratterizzato nel Modello Standard e l’autointerazione dell’Higgs e’ misurabile solo ad un LC tramite la produzione ZHH. La misura in questione e’ veramente al limite delle prestazioni della macchina e, se l’apparato sperimentale non fosse in grado di ricostruire lo stato finale e rigettare i fondi efficientemente, la misura non sarebbe possibile.

8 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 8 Qualche esempio (cont.)

9 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 9 Qualche esempio (cont.) …e se l’Higgs non si trova ? L’interazione tra i bosoni di gauge dovra’ allora diventare forte e lo studio dei processi a stati finali ZZ e/o WW saranno di importanza fondamentale. E sara’ di importanza fondamentale identificare correttamente lo stato finale. I due neutrini non permetteranno di usare fits cinematici per la ricostruzione della massa invariante delle coppie di jets, quindi restiamo alla merce’ della capacita’ del rivelatore di discriminare W da Z con la calorimetria...

10 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 10 Qualche esempio (cont.) La ricostruzione di coppie di W e Z con calorimetria capace rispettivamente del 30%/E 0.5 e del 60%/E 0.5. Si puo’ stimare il guadagno in luminosita’ equivalente dell’ordine del 50% passando dal secondo al primo plot

11 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 11 Prestazioni richieste Commenti Riduzione spessore x4 migl. Ris. X2 Da sviluppare, tecnologia esistente Granularita’ e # di canali Da sviluppare, tecnologia esistente Granularita’ e # canali mai realizzati Serve effettivamente ? Tecnologia esistente per le tiles Mai realizzato su questa scala Da realizzare tecnologia esistente Resistenza a radiazione, sviluppo diamante Per calorimetria Controllo prestazioni come ottenerlo ?

12 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 12 R&D su che cosa ? Ricerca e sviluppo sono richiesti su (quasi) tutti i componenti dell’apparato: alcuni sottosistemi per cui si potrebbe cominciare a costruire domani, comunque avrebbero bisogno di lavoro per il progetto dettagliato. In particolare ricerca e sviluppo sono particolarmente necessari : –Rivelatore di vertice –Sistema di tracciatura –CALORIMETRIA Interessanti sviluppo si possono studiare per la calorimetria in avanti

13 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 13 Rivelatore di vertice Moltissima carne al fuoco dell’R&D. –Richieste di riduzione dello spessore –Richieste di miglioramento risoluzione puntuale –Distanza dall’incrocio dei fasci minimale CCD,CMOS

14 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 14 Sviluppo di rivelatori al Silicio al Dipartimento di Scienze dell’Universita’ dell’Insubria @ Como manpower: – 1 PA, 100% (M. Caccia, co-convenor del working group sui rivelatori di VTX nel gruppo di studio ECFA) – 1 RU, 20% (M. Prest) – 2 Post-doc (100%) – 2 dottorandi (100%) – 1 tecnico elettronico (20%) finanziamenti: EC, progetto SUCIMA (Silicon Ultra fast Cameras for electron and gamma sources In Medical Applications) (Novembre 2001-Novembre 2004); finanziamento complessivo del progetto 3.3 MEUR (0.4 MEUR per la sede di Como).

15 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 15 sommario generale delle attivita’: 1.Caratterizzazione statica di strutture di test e sensori (camera pulita, probe station manuale Wentworth, semiconductor characterization system Keithley 4200, capacimetri quasistatici e ad alta frequenza) 2.Caratterizzazione dinamica di prototipi (laser IR 1024 nm; stage x,y manuale) 3.Caratterizzazione di DAQ systems (the SUCIMA board: VIRTEX II based – USB II connection to the PC – 4 ADC, 12 bits, 50 MHz) 4.Imaging di sorgenti radioattive utilizzate in medicina (NOVOSTE and Acrostak brachytherapy systems, gauge sources at Z-AG Karlsruhe) 5.Simulazione MC (Geant IV) di profili di dose

16 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 16 connessione con gli sviluppi legati al Linear Collider: 1.Diretta: design a test di strutture a pixel ibride ad alta risoluzione spaziale (NESSUN FINANZIAMENTO DEDICATO AL MOMENTO) 2.Indirette (nell’ambito di SUCIMA): –caratterizzazione di prototipi di rivelatori a pixel monolitici basati su tecnologia SOI (Silicon On Insulator) con substrato ad alta resistivita’ e svuotamento totale. –Assottigliamento di sensori a 20 micron (subcontract con ATMEL Grenoble; primi risultati sui MIMOSA-V di LEPSI) –Test di resistenza a radiazione ionizzante –Test di rivelatori di grande area (8 x 3 cm 2 ) –Test di sensori monolitici CMOS SENZA epi-layer

17 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 17 major development: a.increase the radiation tolerance to ionizing radiation before the irradiation after 200 krad after 400 krad 55 Fe, 5.9 keV line b.Back-thin it to the epi layer to be sensitive to 20 keV electrons (ongoing in collaboration with ATMEL-Grenoble; first wafers expected by the end of November 2003)

18 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 18 Collaborazione Mimosa Un gruppo del Dipartimento di Fisica E. Amaldi (Roma III) collabora con Strasburgo allo sviluppo di rivelatori CMOS. Due fisici e alcuni dottorandi e/o laureandi fanno parte dello sforzo che e’ finanziato in Gruppo V.

19 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 19 R&D calorimetri CALICE: collaborazione che unisce calorimetro elettromagnetico SiW Francia, UK… nessun test(ancora), molto lavoro di ingegnerizzazione calorimetro adronico tiles (!?) DESY, Russia… molto lavoro per l’ottimizzazione della luce, realizzato prototipo calorimetro adronico digitale molte idee per parte attiva del rivelatore (anche in US): GEM, RPC, camere.. Questione fondamentale: se la granularità è necessaria, qual è il modo migliore per realizzarla?

20 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 20 LCCAL Una collaborazione che coinvolge gruppi di Como,Frascati, Padova e Trieste. L’idea e’ quella di fornire un’alternativa alla soluzione estremamente esasperata per granularita’ proposta dalla collaborazione Calice per il calorimetro elettromagnetico. Un certo numero di piani di silicio ad elevata risoluzione spaziale potrebbero essere sufficienti ad ottenere una buona separazione carichi/neutri ….

21 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 21 Altra Soluzione Ecal: LCCAL 45 strati 25x25x0.3 cm 3 Pb 25x25x0.3 cm 3 Scintill. 25, Celle 5x5 cm 2 3 piani a 2, 6, 12 X 0 252 0.9x0.9 cm 2 Pad di Si (Como, LNF, Padova, Trieste)

22 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 22 EEEE Cern TB 2003 Lccal: risoluzione in Energia e linearità E beam (GeV) 11.1%  E E cal (GeV) e-e- // pm satura confermata ad alta energia !!! Si PADS calorimeter E beam (GeV) E cal (GeV) cont. ADC

23 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 23 Lccal: Si pads 5 GeV e - profilo sui piani di PAD Risultati preliminari più che soddisfacenti PRC a DESY 30-10-03

24 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 24 La calorimetria adronica e il rivelatore di  L’idea della calorimetria adronica digitale e’ stata proposta da diverso tempo, e la capacita’ di questa tecnica di fornire ottime risoluzione nel caso di sciami a bassa densita’ e’ stata dimostrata su scala medio/piccola. Lo sciame adronico tende quindi a sposarsi bene con questa tecnica che potrebbe avere il vantaggio di unificare calorimetro adronico e rivelatore per . I rivelatori da usare potrebbero essere, ad esempio, contatori a piatti piani o un tubi a streamer. In ogni caso un parametro da misurare, per l’ottimizzazione calorimetrica, e’ la capacita’ del rivelatore in questione a rispondere linearmente ad un data densita’ di track crossings. Test di affidabilita’ in condizioni di affollamento limite.

25 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 25 La collaborazione CAPIRE Sezioni INFN di Milano, Torino e LNF. Finanziata in Gr V per studiare contatori a piatti paralleli in vetro La collaborazione si prefigge lo scopo di studiare le prestazioni dei rivelatori e sviluppare tecniche di produzione che permettano di ottenere rese per unita’ di tempo elevate.

26 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 26 Risultati La collaborazione ha prodotto una trentina di camere di 1 m 2. Lo studio delle risposte in cosmici ed al test beam di Frascati, hanno permesso di misurare mappe di efficienza per MIP e la risposta in condizioni di affollamento locale relativamente elevato

27 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 27 Un esempio di mappa di efficienza Mappa di efficienza di una delle camere da 1 m 2. Si nota una delle strips sconnessa di proposito. Il colore rosso implica una efficienza dell’85% o superiore.

28 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 28 Efficienza in funzione dell’affollamento locale Ar/C 2 H 2 F 4 /i-C 4 H 10 =48/48/4 I ~3 μA/m 2 @ 8200V σ beam  2 mm 1 500MeV e - HV =8200 V

29 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 29 Efficienza in funzione dell’affollanento locale

30 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 30 Simulazioni e studi di processi fisici Questa rivista non sarebbe completa senza menzionare il lavoro che si porta avanti nei gruppi di studio per capire come i processi fisici da misurare condizionino il disegno del rivelatore. Una parte non piccola del lavoro di R&D ha quindi a che fare con simulazioni, a volte complete (Geant3 o Geant4) del rivelatore. Altri strumenti (fast montecarlo) vengono usati piu’ frequentemente dai colleghi teorici per valutare le possibilita’ del rivelatore.

31 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 31 Tabella riassuntiva ricercatori Sez/labRicercatoriInteressi LNFAntonelli,Bertolucci,Calcaterra,De Sangro, Miscetti,Patteri, Piccolo LCCAL, CAPIRE Como/MiCaccia,Prest, Redaelli, Tabarelli, +2 dottorandi + 2 post-doc LCCAL, Capire,SUCIMA PadovaChecchia, Margoni,SimonettoLCCAL Roma IIIBaroncelli,Spiriti (+ing. El. + Laureando) MIMOSA TorinoGamba,Mannocchi, TrincheroCAPIRE TriesteVallazza,NadalutLCCAL

32 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 32 Impegni per i partecipanti al gruppo di studio Ognuna delle tre regioni che sponsorizzano I gruppi di studio organizza almeno due meeting ogni anno. Ad anni alterni ci sono i meeting plenari delle tre regioni. A questi vanno aggiunti meetings di lavoro, di solito almeno un paio all’anno e che sono irrinunciabili per i conveneers. Agli organizzatori dei workshops toccano inoltre riunioni organizzative che negli anni del workshop mondiale diventano piu’ frequenti.

33 M. Piccolo, Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003 33 Il 2004 L’anno venturo sara’ un anno importante per il programma del collisionatore e + e -. Il comitato dei wise men dovrebbe presentare una proposta operativa per la costruzione di una ben definita macchina. Di conseguenza si definira’ una scala temporale dipendente solo dalla reperibilita’ dei finanziamenti. Le persone che al momento stanno portando avanti il progetto si aspettano un anno pieno di impegni e (…speriamo…) soddisfazioni.