Ricerca e sviluppo per la sperimentazione ad un collisionatore lineare Marcello Piccolo Frascati...

Ricerca e sviluppo per la sperimentazione ad un collisionatore lineare

Marcello Piccolo

Frascati 12/11/2003

M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

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Agenda

Considerazioni generali sulla sperimentazione ad un collisionatore lineare

Qualche esempioLe linee di ricerca e sviluppo INFN.Ricercatori coinvoltiConclusioni


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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 benissimoL’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 ?


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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.


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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.


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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.


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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.


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Qualche esempio (cont.)


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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...


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Qualche esempio (cont.)

La ricostruzione di coppie di W e Z con calorimetria capace rispettivamente del 30%/E0.5 e del 60%/E0.5.Si puo’ stimare il guadagno in luminosita’ equivalente dell’ordine del 50% passando dal secondo al primo plot


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Prestazioni richieste

CommentiRiduzione spessore x4 migl. Ris. X2

Da sviluppare, tecnologia esistente

Granularita’ e # di canali Da sviluppare, tecnologia esistenteDa sviluppare, tecnologia esistenteGranularita’ e # canali mai realizzatiServe effettivamente ?Tecnologia esistente per le tilesMai realizzato su questa scalaDa realizzare tecnologia esistenteDa realizzare tecnologia esistenteDa realizzare tecnologia esistenteResistenza a radiazione , sviluppo

diamantePer calorimetria

Controllo prestazioni come ottenerlo ?


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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


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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


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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) .


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• 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


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• 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 cm2)– Test di sensori monolitici CMOS SENZA epi-

layer


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• major development: a. increase the radiation tolerance to ionizing radiation

• before the irradiation• after 200 krad• after 400 krad

55Fe, 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)


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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.


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R&D calorimetri

CALICE:

collaborazione che unisce

•calorimetro elettromagnetico SiWFrancia, UK… nessun test(ancora), molto lavoro di

ingegnerizzazione

•calorimetro adronico tiles (!?) DESY, Russia… molto lavoro per l’ottimizzazione della

luce, realizzato prototipo

•calorimetro adronico digitalemolte 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?


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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 ….


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Altra Soluzione Ecal: LCCAL

•45 strati

•25x25x0.3 cm3 Pb

•25x25x0.3 cm3 Scintill. 25, Celle 5x5 cm2

•3 piani

•a 2, 6, 12 X0

•252 0.9x0.9 cm2 Pad di Si

(Como, LNF, Padova, Trieste)


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EE

Cern TB 2003

Lccal: risoluzione in Energia e linearità

Ebeam (GeV)

11.1%E

Eca

l (G

eV)

e-

/

pm saturaconfermata ad alta energia !!!

Si PADS calorimeter

Ebeam (GeV)

Ecal (GeV)

cont. ADC


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Lccal: Si pads

5 GeV e-

profilo sui piani di PAD

Risultati preliminari più che soddisfacenti

PRC a DESY 30-10-03


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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.


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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.


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Risultati

La collaborazione ha prodotto una trentina di camere di 1 m2.

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


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Un esempio di mappa di efficienza

Mappa di efficienza di una delle camere da 1 m2.

Si nota una delle strips sconnessa di proposito.

Il colore rosso implica una efficienza dell’85% o superiore.


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Efficienza in funzione dell’affollamento locale

Ar/C2H2F4/i-C4H10=48/48/4

I ~3 μA/m2 @ 8200V

σbeam 2 mm 1 500MeV e-

HV =8200 V


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Efficienza in funzione dell’affollanento locale


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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.


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Tabella riassuntiva ricercatoriSez/lab Ricercatori Interessi

LNF Antonelli,Bertolucci,Calcaterra,De Sangro, Miscetti,Patteri, Piccolo

LCCAL, CAPIRE

Como/Mi Caccia,Prest, Redaelli, Tabarelli,

+2 dottorandi + 2 post-doc

LCCAL, Capire,SUCIMA

Padova Checchia, Margoni,Simonetto LCCAL

Roma III Baroncelli,Spiriti

(+ing. El. + Laureando)

MIMOSA

Torino Gamba,Mannocchi, Trinchero CAPIRE

Trieste Vallazza,Nadalut LCCAL


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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.


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Il 2004L’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.

Date post:	03-May-2015
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