Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI1 Linear Collider :R&D per rivelatori e prospettive Sommario Brevi richiami di fisica Condizioni dalla macchina.

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1 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI1 Linear Collider :R&D per rivelatori e prospettive Sommario Brevi richiami di fisica Condizioni dalla macchina Concetti generali del rivelatore Proposte di rivelatori Situazione generale R&D R&D vertice+tracking R&D calorimetri/  LC: Percorso presente-futuro

2 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI2 Brevi richiami di fisica

3 Lecce 26 Settembre 20033 Condizioni dalla macchina TESLA DAQ differenza fondamentale per il rivelatore con emitt., fun. di bet, fascio-fascio   * y  * x coda di bassa energia

4 Lecce 26 Settembre 20034 Concetti generali del Rivelatore EuAmAs

5 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI5 TESLA TDR Coil SD

6 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI6 Tracking: Rivelatore di vertice TESLA configurazioni per tutte le tecnologie ( e tutte le regioni): Pixels (3D)  1 Gpixel strato interno vicino P.I.. 5 strati per tracciamento indipendente Spessore strati  0.1 X 0 Precisione punto < 5  m/strato Buon rapporto segnale/rumore Sufficiente una resistenza alle radiazioni modesta

7 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI7 silicio senza supporto pixels segnali con lettura alternata: divisione capacitiva della carica o Monolitic Active Pixel Sensors

8 Lecce 26 Settembre 20038 TPC amplificazione:problemi con MWC (ExB, ioni,spessore end plate) soluzioni: GEM, Micromegas GEM tracce 3 d,  no P.R.

9 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI9 Calorimetria visione generale * *  E/E= 60%x  0 +25%x  10%/  E +10%x  80%/  E +  confusione

10 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI10 SiW SiW per SD + altre soluzioni

11 11 TESLAJLC

12 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI12 scopo:  L/L  10 -4 L*=3m L*=5m SiW SiW o Diamanti/W o Cristalli Calorimetria: Regione in avanti

13 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI13 Magnete e rivelatori di muoni

14 14 Situazione generale R&D Europa Germania MAPS DEPFET TPC CALICE DESY PRC: CALO (LCCAL, CALICE, Forward) Vertex (CCD, MAPS, DEPFET) Tracking (TPC, SI-Envelope) TOT ~200 K€+DESY Francia MAPS CALICE TOT ~500(?) K€ UK LCFI-CCD (1 M€) CALICE (490 K€ 03/04 280 04/05) + richiesta 18 M€ per Beam Delivery System Altri (Russia R.Ceka…) ~30 K€ +INTAS Italia  Mimosa(20 K€) LCcal (0 K€) CAPIRE (56 K€ 03 111 K€ 04)

15 15 Situazione generale R&D USA FY2003 L inear C ollider RD working group (DOE ): 1 vtx 6 tracking 6 calorimetri 2  Tot 412 K$ U niversity C onsortium for L inear C ollider RD (NSF) 2 vtx 5 tracking 5 calorimetri 1  Tot 150 K$ (con R&D acceleratore) USA FY2004 LCRD 500K$ (?) UCLC >>2003 (? richiesto 1 M$)

16 R&D vertice tecnologiePunti criticiStato dell’arteAltri vantaggi CCD (monolitico, substrato a bassa resistivita’) aumentare la velocita’ di lettura di un fattore 1000: – parallel column readout – aumento del clock a 0.5, 5 ed infine 50 MHz radiation hardness, garantita a 10 9 n/cm 2 primo prototipo di parallel column readout a 0.5 MHz in fase di test studi di assottigliamento il rivelatore per il LC e’ “solo” un fattore 3 superiore a quello di SLD in numero di pixel (esiste un know- how nella system integration) CMOS (monolitico, substrato a bassa resistivita’) valutazione di diverse architetture: – parallel column readout – on-pixel signal processing & sparsification continuo adattamento alle nuove tecnologie (diminuzione dello spessore dello strato epitassiale) valutazione di architetture che NON richiedano substrato epitassiale (PhotoFet) primo prototipo di un sensore in scala 1:1 esistente resistenza alle radiazioni garantita a 10 11 n/cm 2 prototipi di PhotoFET in fase di test) assottigliamento a 50  m in corso) eredita gli sviluppi dei CMOS per imaging nel visibile tecnologia prescelta per l’upgrade del VTX di STAR (2006) tecnologie

17 M.Caccia17 tecnologiePunti criticiStato dell’arteAltri vantaggi DEPFET (monolitico, substrato ad alta resistivita’) implementazione di un parallel column readout a 50 MHz studi di resistenza alle radiazioni rendimento di processo su matrici in scala 1:1 prototipi di 64 x 64 pixel funzionanti matrice di 128x64 pixel con parallel column readout in fase di produzione assottigliamento a 50  m in corso) Substrato ad alta resistivita’ SOI (monolitico, substrato ad alta resistivita’) attualmente nella prima fase di sviluppo: funzionalita’ ancora da dimostrare sviluppo attuale in una tecnologia “primitiva” (3  m) che non consente passi inferiori a 200  m tecnologia messa a punto Prototipi su substrato a bassa resistivita’ funzionanti architettura di front-end validata batch su substrato ad alta resistivita’ in fase di produzione eredita gli sviluppi dei CMOS per imaging + SOI per dispositivi “veoci” unisce I vantaggi dei CMOS e dei rivelatori a svuotamento totale tecnologie

18 M. Caccia18 tecnologiePunti criticiStato dell’arteAltri vantaggi HAPS (ibrido, substrato ad alta resistivita’; accoppiamento capacitivo tra pixel adiacenti) assottigliamento a 0.1% X 0 risoluzione a 3  m al momento, nessuno sviluppo per un front-end chip dedicato prototipi con passo di lettura 200  m e passo di impiantazione 50  m testati prototipi con passo di lettura variabile ed impiantazione di 25 x 50  m 2 realizzati e testati elettricamente eredita il know-how di LHC/BTev tecnologie

19 Attivita’ di R&D in corso tecnologieCollaborazionePiano temporaleFinanziamento CCDLCFI (U.K. only)2001-2005~ 1 MEUR/anno CMOS 1. PRC R&D ¼: Francia (LEPSI + IRES + CEA), UK (RAL), Switzerland (Geneve), Olanda (NIKHEF) 2. SUCIMA: Italia (Insubria), Francia (LEPSI), Germania (Karlsruhe), Svizzera (Geneve), Polonia (Cracovia, Varsavia) 3. Mimosa gr 5 – Roma III 1.2001-2004 2.2001-2004 3.??? 1.~ 400 kEUR/anno 2.~ 400 kEUR/anno 3.~20 kEUR DEPFET Germania (Bonn, Monaco, Manheim) ????????????? SOISUCIMA2001-2004~500 kEUR/anno HAPS Italia (Como) + Polonia (Cracovia + Varsavia) Nessun progetto attualmente in corso -

20 20 Il prototipo attualmente piu’ avanzato: MIMOSA-V, realizzato da LEPSI (Strasbourg) 0.6  m AMS process risoluzione 1.7  m dispersione dei guadagni ~ 2% efficienza 99.3%

21 Jim Brau Amsterdam April 4 2003 21 JLC Detector R&D –3.1) Vertex Detector a) done or finishing soon –excellent spatial resolution (plot) –room-temperature operation (good S/N by Multi-Pinned Phase operation) –radiation hardness measurement : 90Sr, 252Cf, electron-beam irradiation=in analysis b) in progress or to do –CTI improvement : two-phase clocking, thermal charge injection, notch structure (plot) –fast readout : test-board fabrication in progress –thinned CCD (20micrometer) : flatness, stability, reproducibility –precise estimation of background by a full simulation with detailed beamline components

22 22 Gaseous Tracking R&D Tracking

23 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI23 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?

24 J.C. Brient Amsterdam 4-4 200324 ECAL general view 3 rd structure (3×1.4mm of W plates) 370 mm 180 mm Silicon wafer 2 nd structure (2×1.4mm of W plates) VME/… HCAL VFE Movable table ECAL Beam monitoring Global view of the test beam setup BEAM 1 st structure (1.4mm of W plates) Detector slab 370 mm Prototype overview

25 V. Korbel Amsterdam 2003 The ac tual achieved LY for the TFS, Kuraray, WLS-fibre 3M-Super Radiant Reflector Scintillator BC-408, All together: 100% reflectivity at fibre end Treatment direction 22+/-1.5 pe ( BC-408, Aug. 2002) >> 26 (new results from ITEP) both Russian scintillators have ~ 2/3 of BC-408 LY ~20% more LY can be expected by improving polishing of WLF-fibre end, no gluing needed anymore Light yield/tile

26 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI26 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)

27 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI27 PM’s Scintill. Piani Si Fibre con la struttura di supporto PM LCCAL in test @ BTF (Frascati) Fibre nel collettore di fronte ai PMs LCCAL

28 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI28 Buona linearità vs molteplicità 3 e - 2 e - 1 e - EEEE E beam (MeV) 11.5%  E N phe >5.1 /layer →Cal(45 layers) ~ 250 MeV/Mip ~ 800Npe/GeV Non uniformità della luce << 20% OK also @ BTF (E ~500 MeV) Cern TB 2002 1.Stat. fotoel. Trascurabile 2. Term. stoc. 11.5% come in MC 3.Uniformità raccolta luce a livello < 10%. Effetti sulla resoluzione da valuatare al SPS Agosto 2003  Lccal: risoluzione in Energia e linearità BTF test

29 Lecce 26 Settembre 200329 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

30 Lccal: Si pads 5 GeV e - profilo sui piani di PAD Risultati preliminari più che soddisfacenti PRC a DESY 30-10-03

31 31 CAPIRE dati: cosmici e BTF

32 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI32 CAPIRE HV     Rate

33 33 CAPIRE

34 Jim Brau Amsterdam34 Calorimeter Detector R&D in N. America ALCPG Calorimeter Working Group: R. Frey/A. Turcot/D. Chakraborty

35 Jim Brau Amsterdam April 4 2003 35 JLC Detector R&D –3.4) Calorimeter a) done or finishing soon –hardware compensation, energy response linearity, energy resolution (stochastic term) (plot) –machine-ability of tiny tiles, assemble-ability –performance of WLS-readout SHmax b) in progress or to do –granularity optimization with a full simulation –photon yield and non-uniformity improvement for RectTile EMcal –performance study of strip-array EMcal : beamtest, simulation, ghost- rejection (plot) –direct-APD-readout SHmax –photon detectors (multi-channel HPD/HAPD, EBCCD etc.)

36 B. Foster ECFA La lunga via per un LC lastricata di comitati International. Comm. For Future Accelerators ICFA European Comm. for FutureAcceler. Asian Comm. for Fut. Acc. US HEP Adv. Panel Techn. Rev. Committee International LC Steer. Comm. ILCSC European LC Steering Comm. Asian LC Steering Comm. US LC Steering Comm. Accelerator Sub panel Sub Group on Organ. &Manag. Physics& Detectors Outreach + altri

37 La lunga via per un LC …….passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003)

38 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI38

39 La lunga via per un LC …….passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare:

40 N. Walker Amsterdam 2003 The Rankings for R&D Ranking 1 Ranking 2 Ranking 3 Ranking 4 R&D needed for feasibility demonstration of the machine what you must do before you can honestly say the machine will work (proof of principle)

41 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI41 Rankings Score Sheet TESLAJLC-CJLC-X/NLCCLIC Common E cm 500800500 10005003000 R101220520 R274230628 R310331105019 R410122008 Building and testing of a cryomodule at 35 MV/m and measurements of dark current Test of complete accelerator structure at design gradient with detuning and damping, including study of breakdown and dark current Demonstration of SLED-II pulse compressor at full power

42 La lunga via per un LC …….passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare: International group of funding agencies:

43 43 International * group of funding agencies "the Halliday panel" 30 Luglio 2003 meeting a Londra “to discuss the status and funding prospects for a linear collider of 0.5 – 1TeV” “three distinct phases of a proposed LC project, with decision points between …. a) an R&D phase….by the end of which the main technology choices would be made, b) an engineering design phase, the output of which would be the optimised technologies and a fully costed construction proposal, and c) a construction phase.” * Canada (NSERC), CERN (President of Council and DG), France (CNRS), Germany (BMBF), Italy (INFN), UK (PPARC), and the US (DOE, NSF, OSTP). “the initial R&D design phase could be funded through existing funding routes and structures in the participating states with a light coordination. However..” “concurrent running of a LC with the LHC …a LC in 2015 could provide 5 years of concurrent running …importance of maintaining a viable community of physicists and engineers who would ensure the vitality of the field in future.” “ the technology choice report to be made by the International Committee for Future Accelerators (ICFA) group should be completed in a timely manner, on its proposed timescale by the end of 2004” the choice of site should be made as early as possible in the engineering design phase.

44 La lunga via per un LC …….passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare: International group of funding agencies: ILCSC: riunione di Agosto 2003  futuro

45 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI45

46 La lunga via per un LC …….passato ILCSC:documento di consenso internazionale (9/4/2003) ILC TRC: report 03 http://www.slac.stanford.edu/xorg/ilc-trc/2002/2002/report/03rep.htm in particolare: International group of funding agencies: ILCSC: riunione di Agosto 2003  futuro Panel di 12 saggi per prendere la decisione sulla tecnologia da nominare entro il 2003 che deve decidere entro il 2004

47 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI47 Studi per il Linear Collider: Partecipazione Italiana Working group internazionaleINFN: 1 contact p. Nuovo ciclo di studio ECFAINFN: 1 org. comm. Incontri previsti 2003/2005 Gruppi di Fisica e Sudio del Rivelatore: INFN: 4 coordinatori sperimentali da Bologna, Como, Milano, LNF, Padova, Torino, Trieste Ricerca e sviluppo di rivelatori

48 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI48 Conclusioni Fisica di alta precisione richiede Rivelatore di alta precisione La quantità di risorse per R&D Rivelatore ( ma non solo ) in aumento Non così in Italia Programmi di sviluppo interessanti Consenso internazionale su macchina a 500 GeV (x 2) ma…. la strada per ottenere la macchina è tutt’altro che facile e ben definita

49 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI49 Appendice

50 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI50 p (GeV)

51 Lecce 26 Settembre 200351 vertice topologico  M massa del vertice Prestazioni: identificazione sapori 5 strati4 strati,spessore doppio uso di reti neurali: c b bckg

52 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI52

53 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI53

54 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI54 Resistive Plate: Glass or Bakelite HV Gas Pick-up pad(s) Graphite Mylar RPC’s design in US groups Results from Russian groups

55 55 Test beam: preliminary results* Two electrons with energy 750 MeV X silicon chambers Y silicon chambers First layer Second layer Third layer Cluster recognition *Plots filled only with pads with SNR>10 

56 A. Wagner Amsterdam 200356 Government Decision on LC

57 Lecce 26 Settembre 2003Paolo Checchia CSNI57 R&D in Italia Mimosa(20 K€) LCCAL (0 K€) CAPIRE (111 K€)

58 Lecce 26 Settembre 200358