Ricerca e sviluppo per la
sperimentazione ad un
collisionatore lineare
Marcello Piccolo
Frascati 12/11/2003
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
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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 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 ?
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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/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.
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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 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...
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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
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 ?
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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
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..
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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
(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
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Ecal (GeV)
pm satura
e-
EE
Lccal: risoluzione in Energia e linearità
confermata ad alta
energia !!!
11.1%E
Ebeam (GeV)
Ebeam (GeV)
/
Si PADS
calorimeter
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Lccal: Si pads
profilo sui piani di
PAD
5 GeV eRisultati 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
σbeam 2 mm
1 500MeV eHV =8200 V
I ~3 μA/m2 @
8200V
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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 ricercatori
Sez/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 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.
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