Ricerca e sviluppo per la sperimentazione ad un collisionatore lineare

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

8. Qualche esempio (cont.) 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 nnZZ e/o nnWW 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... 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%/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 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 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 Da realizzare tecnologia esistente Da realizzare tecnologia esistente Resistenza a radiazione , sviluppo diamante Per calorimetria Controllo prestazioni come ottenerlo ? 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 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 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) . M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

15. sommario generale delle attivita’: • 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) • Caratterizzazione dinamica di prototipi (laser IR 1024 nm; stage x,y manuale) • Caratterizzazione di DAQ systems (the SUCIMA board: VIRTEX II based – USB II connection to the PC – 4 ADC, 12 bits, 50 MHz) • Imaging di sorgenti radioattive utilizzate in medicina (NOVOSTE and Acrostak brachytherapy systems, gauge sources at Z-AG Karlsruhe) • Simulazione MC (Geant IV) di profili di dose M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

16. connessione con gli sviluppi legati al Linear Collider: • Diretta: design a test di strutture a pixel ibride ad alta risoluzione spaziale (NESSUN FINANZIAMENTO DEDICATO AL MOMENTO) • 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 M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

17. major development: • increase the radiation tolerance to ionizing radiation • before the irradiation • after 200 krad • after 400 krad 55Fe, 5.9 keV line • 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) 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. M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

19. R&D calorimetri Questione fondamentale: se la granularità è necessaria, qual è il modo migliore per realizzarla? 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.. 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 …. M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

21. Altra Soluzione Ecal: LCCAL (Como, LNF, Padova, Trieste) • 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 M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

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

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

24. La calorimetria adronica e il rivelatore di m • 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 m. • 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. 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. M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

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

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

28. Efficienza in funzione dell’affollamento locale Ar/C2H2F4/i-C4H10=48/48/4 Preliminare σbeam 2 mm 1 500MeV e- HV =8200 V I ~3 μA/m2 @ 8200V M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003

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

31. Tabella riassuntiva ricercatori 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. 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. M. Piccolo , Riunione CNS1, Frascati, Nov. 2003