Rivelatori per il Linear Collider
Erika Garutti
DESY
ILC: il linear collider
un detector per ILC
Componenti:
- rivelatori di vertice
- tracciatori
- calorimetri
A Cool Machine
33 km e-/e+ collider
Energia:
500 – 800 GeV
Luminosita’: 3-6 1034/cm2/s
Struttura a bunch del fascio:
Raccomandazioni sulla tecnologia:
Cavita’ superconduttive
a radiofrequenza
Frequenza 1.3 GHz
Goal:
Minimizzare il numero di bunches integrati
alta velocita’ di lettura: 25-50 MHz
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
2
Macchine Leptoniche vs Adroniche
Linear Collider
Macchine adroniche
“bassa” occupancy
“basso” background
“basso” rate
“alta” occupancy
”alto” background
“alto” rate
altissima precisione
attenzione a tutte le particelle
bilancio energetico
precisione ragionevole
ricostruzione parziale
bilancio in pt
 Particelle cariche e neutre
 importanza al sistema e non ai singoli sub-detectors
R&D per il Rivelatore:
Spingere al limite le tecnologie di precisione per ogni detector
Ottimizzazione della sinergia tra detectors
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
3
Richieste della fisica
a) risoluzione di massa di due jet
paragonabile all’ ampiezza naturale
di W e Z, per la corretta
un’identificazione dello stato finale
b) Eccellente efficienza e purezza in
flavor-tagging (per b- and c-quarks,
e possibilmente s-quarks)
c) Risoluzione in momento capacita’
di ricostruire in processi di Higgsstrahlung la recoil-mass di due
muoni con risoluzione migliore dello
spread in energia del fascio
d) Ermeticita’ (assenza di fessure e
copertura della regione a bassi
angoli in avanti) alta precisione
nella determinazione del momento
mancante
e  e   WW
LEP:
DEjet=60%/√E
IFAE Catania - E. Garutti
, e  e   ZZ
ILC:
DEjet=30%/√E
4
Concetto di Particle Flow
resoluzione dei jet  30%/E
Distribuzione di energia: percentuale
maggiore di particelle cariche
2
T
J et
 Eccellente risoluzione nei tracciatori
2
ECAL
2
HCAL
Ei
E/E (jet) =
60% x 0
+ EM
25% x 15%/ECharged
Hadrons
+ 10% x 50%/E
+ confusione
Frazione di
energia visibile
Detector
Risoluzione
particelle
cariche
~65%
Tracker
< 0.005% pT
negligible
Fotoni
~25%
ECAL
~ 15% / E
adroni
neutri
~10%
ECAL +
HCAL
~ 50% / E
30 March 2005
Ei
Neutral
Hadrons
HCAL
ECAL
tracker
Particelle in
un jet
4
Ei
IFAE Catania - E. Garutti
E/Etotal
~ 18% / E
5
Un nuovo concetto per il detector
Particle Flow richiede:
ricostruzione delle singole particelle
separazione delle singole tracce
Meno importante:
risoluzione in energia delle particelle
Technology
Choice
2005
2006
R&D Phase / Design
Diversi possibili approcci
Molti gruppi coinvolti da tutto
il mondo
Richieste sul Detector:
Buon tracciamento in jet densi
Eccellente granularita’ nell’ECAL
Buona granularita’ nell’HCAL
Eccellente connessione tra
tracciatori / ECAL / HCAL
2004
Notevole impegno in R&D
Non e’ troppo presto se vogliamo
per arrivare in tempo!!
2007
2008
Collaboration
Forming
2009
2010
Construction
Done!
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
6
Ultime novita’
Marzo 18-22: in LCWS05
Collezione delle ultimissime novita’ su:
- detector concept
- detector R&D
- dead lines and schedules
http://www-conf.slac.stanford.edu/lcws05/default.htm
 Conciso sommario mirato soprattutto alle novita’ sul mercato
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
7
Tre diversi approcci per il detector
SiD: Silicon based
LDC: large detector
GLD: even larger detector
B = 3T
B = 4T
B = 5T
Silicon tracker
30 March 2005
Gaseous tracker
IFAE Catania - E. Garutti
8
Confronto delle diverse opzioni
Principali differenze: dimensione e rapporto lunghezza/larghezza
Importante: raggio interno del ECAL: definisce la dimensione totale
ECAL end-view

Figura di Merito (ECAL):
Barrel: B Rin2/ Rmeffective
Endcap: "B" Z2/ Rmeffective
GLD
Rin : Inner radius of Barrel ECAL
SiD
Z : Z of EC ECAL front face

Tracker
SiD
LDC
Diverse opzioni
SiD:
B = 3T
B = 4T
B = 5T
BR
in
2
LDC: B Rin2
GLD: B Rin2
GLD
IFAE Catania - E. Garutti
9
Tracciatori interni e Rivelatori di vertice
Requisiti per il detector
• Eccellente precisione sul singolo punto ( < 4 mm )
• Eccellente risoluzione del parametro d’impatto ( 5µm  10µm/(p sin3/2) )
• Transparenza ( ~0.1% X0 per strato / 4-5 strati)
• Ricostruzione delle tracce ( identificazione delle tracce usando il solo VD )
 unanime accordo per tutte le configurazioni: Pixel Detector
Per mantenere occupancy sotto 1%:
12 tecnologie
30 gruppi da tutto il mondo
 con pixels ~ 20 x 20 μm2:
1) leggere ~20 volte durante un bunch train
CCD:
Charge-Coupled Devices
DEPFET: DEpleted P-channel Field Effect Transistor
MAPS:
Monolithic Active Pixels
SoI:
Silicon on Insulator
2) immagazzinare ~20 segnali durante un bunch train
ISIS:
Imagine Sensor with In-Situ Storage
HAPS:
Hybrid Pixel Sensors
OPPURE
3) ridurre la dimensione dei pixels di un fattore 20
FPCCD: Fine Pixel CCD (5x5 μm2)
1) CCD a lettura parallela
principio di funzionamento testato @ SLD
 5 MHz x 96 ch.
 3.9 mm space point resolution
velocita’ di lettura per bunch spaziati di 250 ns:
50MHz clock
 lettura a colonne parallele
successo del presente R&D  25MHz
con 100 electrons noise @ 1.9V clocking
minimizzare la quantita’ di materiale
spessore dei sensori: 50 mm (20 attivi + supporto)
materiale per strato: <0.1% X0
LCFI (Bristol, Glasgow,
Lancaster, Liverpool,
Oxford, RAL)
CPC1: 750x400 pixels, 20x20 μm2
Bump bonded by VTT to readout CPR1
sized (up to 92mmx15mm) CPC2 detector chips
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
Various
11
2) ISIS: event storage
 RF pickup is a concern for all sensors converting charge into voltage during the
bunch train;
 The In-situ Storage Image Sensor (ISIS) eliminates this source of Electromagnetic
Interference:
 Charge collected under a photogate;
 Charge transferred to 20-pixel storage CCD in situ, 20 times during the 1 mslong train;
 Conversion to voltage and readout in the 200 ms-long quiet period after the
train, RF pickup is avoided;
 1 MHz column-parallel readout is sufficient;
2) Novita’ a LCWS05: Revolver ISIS
4
5
Storage gate 3
6
Storage gate 2
RSEL OD
RD
RG
1
7
8
OS
Output node
to column load
Output gate
Photogate
Transfer gate 8
20
19
18
17
Charge
generation
Transfer
Storage
Readback from gate 6
Idea by D. Burt and R. Bell (E2V)
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
13
3) Area ridotta dei pixels
Array Designs
High-speed arrays
High-resolution arrays
 Designed for quick response.
 Designed for resolution and
– Threshold detection only.
– Large pixels (~50 x 50 mm).
 Transmits X,Y location and
time stamp of impact.
querying.
– Smaller pixel size (~5 x 5 mm).
– Random access addressability.
– Records intensity.
 Provides intensity
information only for pixel
region queried.
Contact Pads
30 March 2005
Pixel Array
Contact Pads
IFAE Catania - E. Garutti
Pixel Array
14
Tracciatore Centrale
Due tecnologie studiate per il detector di ILC
Tracciatore gassoso (TPC)
• Basato sull’esperienza positiva di: PEP-4,
ALEPH, ALICE, DELPHI, STAR, …
• Grande numero di punti ricostruiti, facilita la
ricostruzione delle tracce
• dE/dx  particle ID, bonus
• Minimo materiale, importante in calorimetria
• Tracciamento possibile a grandi raggi
Tracciatore a Silicio
• Eccellente precisione sul singolo punto
consente di minimizzare il volume totale
• Robusto in backgrounds intermittenti
linear collider diverso dallo storage ring
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
15
Time Projection Chamber
Conventional
TPC: Wires
New concept:
Micro Pattern
Gas Detectors
Gas amplification:
Gas Electron Multiplier:
Signal
collection
Micromegas, GEMs
•50
µm kapton
foil, by
double
sided
copper coated
pads or
MediPix
•75 µm holes, 140 µm pitch
•GEM voltages up to 500 V
yield 104 gas amplification
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
16
Risoluzione del singolo punto
University of Victoria, DESY, Sacley, Orsay, Berkeley
 Tre camere GEM lette da pads di
2.2x6.2mm2
Risoluzione del singolo punto
peggiore delle previsioni
Possiblili cause: metodo di
ricostruzione, pads 10% piu’ grandi
che in simulazione
 Effecto del campo magnetico sulla
risoluzione di singolo punto
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
17
Tracciatori a Silicio
SID/SiLC
5 strati di rivelatori di vertice a pixel
5 strati di tracciatori a Si-strip
Key R&D: FE and readout chip
prototype (.18mm UMC)
16 channel pream, shaper. ADC
Promettenti test in laboratorio
s(1/p) = 6 x 10-5 GeV-1
(1.5% / layer)
(TPC)
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
18
CALICE
Sistema Calorimetrico
ECAL: calorimetro al silicio-tungsteno (SiW) :
• Lettura analogica di silicon pads
• Tungsteno : X0 /lhad = 1/25, RMoliere ~ 0.9cm
• Segmentazione laterale: 1cm ~ RMoliere
• Segmentazione longitudinale: 40 strati (24 X0)
HCAL
ECAL
TPC
HCAL: digitale vs. analogico (questione aperta):
Struttura a sandwich con strati di acciaio e
• HCAL Analogico (Tile HCAL)
Minore segmentazione laterale 5x5 cm2 (motivata dai costi)
Materiale attivo:
- scintillatore
• HCAL Digitale
Maggiore segmentazione laterale 1x1 cm2 ma con lettura digitale
Materiale attivo:
- scintillatore
- gas (RPCs, GEM)
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
19
ECAL R&D in CALICE
•30 strati di Tungsteno a spessore variabile
•Alternati a strati attivi di silicio
•Front end chip sulla PCB board
14 layers, 2.1mm thick
•PCB, with VFE
•Analogue signals
DAQ
360mm
•W layers wrapped in
carbon fibre
•PCB+Si layers:8.5 mm
360mm
•6x6 1x1cm2 Si pads
•Conductively glued to PCB
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
62 mm
20
ECAL @ the DESY test beam
Detector slab
Carbon fiber
+ tungsten
structure
1-6 GeV e-
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
21
Top
e- 3 GeV
Front
Side |-
30 March 2005
7 X0
-|
IFAE Catania - E. Garutti
22
ECAL R&D in Japan
Tile/fiber
• struttura a sandwich di scintillatori e piombo
• rapporto 1:4  compensazione
• lettura combinata di 5 strati
• dimensione delle tile: 4x4 cm2
Tile/fiber JINR
• stessa struttura ma con rapporto 1:2
 Migliore risoluzione in E a discapito della
compensazione
Scintillator Strip Array
• lettura a strip combinando piani in x e y
• dimensione delle strip: 20cm x 1cm x 2mm
• struttura a sandwich con 4mm di piombo
30 March 2005
JINR, KEK, Kobe,
Konan, Niigata,
Shinshu, Tsukuba
IFAE Catania
- E. Garutti
23
ECAL R&D in Japan
Lettura del segnale luminoso attraverso Wave Length
Shifting fibers connesse a photo-detector
 Da operare in alti campi magnetici!
Possibilita’ di lettura con: HPD, HAPD, EBCCD
HPD (HAPD)
- Photo-cathode + PIN diode (or APD) with a
vacuum gap in between
- Insensitive to the axial magnetic field
- HV between photocathode and PIN diode
- Gain ~ 3000 (x100) with photo-cathode @ -11 kV
Electron Bombarded CCD
 Photons detected on a photo-cathode
 Released electrons are accelerated
across a gap and impact on the back side
of a back-thinned CCD.
Gain ~ 500
single photo-electron peak visible
Test beam @ KEK
ECAL R&D in LCCAL
• Ibrido Silicio-scintillatore
- vantaggi del Si-W: alta granularita’
- Erec da Scintillatore+WLS fibers
- ~factore 10 < # canali
Sc-W-Sc-W-Si-W-Sc-W-Sc-W
Kansas
Fibre raggruppate in gruppi di 25x4
consentono segmentazione longitudinale
in 4 strati
3 slots per l’inserimento di piani di Si pad
(Motherboard)
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
Como, ITE-Warsaw, LNF, Padova, Trieste
26
HCAL: analogico o digitale?
HCAL Digitale
Corrispondenza tra energia e numero
di celle con segnale
Questioni aperte per R&D:
test del principio di funzionamento
readout economico su larga scala
algoritmo per l’analisi da sviluppare
Tile (analogico) HCAL
registra posizione e ampiezza
Number of cells hit
piccole celle: imagining HCAL
registrate solo le celle con segnale
nessuna informazione di ampiezza
Questioni aperte per R&D:
lettura della luce
ottimizzazione del sistema
algoritmo per l’analisi da sviluppare
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
Energy (GeV)
27
HCAL: analogico o digitale?
s/E
bassa E  digitale meglio di
Analog
Digital (0.5x0.5)
Digital (1.4x1.4)
Digital (2.5x2.5)
Digital (3.0x3.0)
analogico grazie alla soppressione
delle fluttuazioni Landau
alta E  analogico meglio di digitale
•Possibili soluzioni:
soglie multiple (semi-digital)
Digitale: richiede lettura in piccole
celle (~1cm)
 piccole scintillator tiles
E [GeV]
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
 gas + piccoli pad readout
28
CALICE
HCAL: tecnologia di lettura
Tile HCAL:
lettura della luce: conversione del segnale luminoso in elettrico
tecnologia basata su Si detector: deve funzionare in B !
Silicon Photo-multiplier (SiPM) 
pixel
ottimisazione degli scintillatori
ottimisazione del trasporto di luce
Resistor
Rn=400
risoluzione dei singoli fotoelettroni
42mm
Single photoelectron
20mm
MIP
h
k
Al
Depletion
Region
2 mm
SiPM
R 50
Substrat
e
Ubias
HCAL Digitale:
lettura del segnale con: Resitive Plate Chambers or Gas Electron Multiplier
Pad array
facile da costruire, economico
alta granularita’: 1cm2
1.1mm Glass sheet
1.1mm Glass sheet
30 March 2005
Aluminum foil
-HV
29
Caratterizzazione degli sciami con AHCAL
Sviluppo Longitudinale
5x5cm2 celle
Sviluppo Laterale
Prototipo con 100 canali
testato al DESY testbeam in 2004
Ottenuti ottimi risultati!
Prototipo in costruzione: 1m3
8000 celle, a partire da 3x3cm2
30 March 2005
30
Un calorimetro con GEM
140 mm
Struttura a sandwich di acciaio e camere a gas
3 strati di
amplificazione
con fogli di GEM
75 mm
steel
onboard
readout
Pad readout
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
31
Altri aspetti da considerare…
Per limiti di tempo non e’ stato possibile discutere:
• Very forward detectors:
- misurare la luminosita’
- very forward e / g  ermeticita’
• Tail catcher / muon detector
- instrumented iron yoke
- migliorare la risoluzione dell’HCAL
Tecnologie: lunghe barre scintillanti, RPC
• Molti altri progetti di R&D per i vari
detector
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
32
Conclusioni & Piani Futuri
• Enorme progetto di R&D
 creato il primo concetto per un detector per ILC
• Il lavoro continua  con l’ambizione di proporre un
detector design a fine 2007
2004
Technology
Choice
2005
2006
R&D Phase / Design
2007
2008
Collaboration
Forming
2009
2010
Construction
Done!
• Molte sfide stimolanti per i prossimi anni
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
33
Backup slides
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
34
DEPFET
source top gate drain
n+
p+
MIP clear
p+
•
bulk
n+
n+
p
•
symmetry axis
n
+
-+
50 µm
gate
------internal
+
-+
n-
p+
rear contact
•
•
•
•
Primo prototipo testato in
testbeam di DESY
Pixel size 20 x 30 mm2,
64 x 128 pixels
Spessore 50 mm con
 S/N = 40
Rad. Hardness testata fino
a 1 Mrad (60Co)
Readout a 100 MHz
possibile con noise
accettabile
Basso consumo energetico
(5W per detector a 5 strati)
MPI Munich, MPI Halle, U. Bonn, U. Mannheim
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
35
Eventi al Linear Collider
• Semplici eventi (rispetto al
collider adronico)
 permette la ricostruzione delle
singole particelle
• La ricostruzione della massa dei
bosoni pesanti impone richieste
sulla risoluzione in energia dei jet
e  e   WW
DEjet=60%/√E
30% E
, e  e   ZZ
DEjet=30%/√E
t t event at 350 GeV
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
36
MAPS
Elettronica di lettura integrata in ogni chip
operazione piu’ semplice di CCD
no clocking-out of charge:
intrinsically radiation harder
Testbeam results
S/N ~ 24
MA
maggiore quantita’ di materiale (?)
maggiore consumo energetico
- 20 mm strato sensibile
- 20, 30, 40 mm pitch
Mimosa-9
(Strasbourg)
30 March 2005
R&D paralleli: FAPS (RAL)
Alternativa per active pixel con
10-20 storage capacitors / pixel
 all’inizio dello sviluppo
IFAE Catania - E. Garutti
37
Gas Electron Multiplier
140 mm
•50 µm kapton foil,
double sided copper coated
•75 µm holes, 140 µm pitch
75 mm
•GEM voltages up to 500 V
yield 104 gas amplification
Small structures (no EB effects)
2-D structures
Only fast electron signal
Intrinsic ion feedback suppression
e-
Use GEM towers
for safe operation
(COMPASS)
30 March 2005
IFAE Catania - E. Garutti
38
Readout concept: Analog vs
Digital
From photon analysis:
ECAL requires Analog readout
s/mean ~ 16%
Non-linear behavior
for dense showers
30 March 2005
Analog Readout
– perfect g cluster
IFAE Catania - E. Garutti
39
Very Front End Electronics
Front-end Chip
electronics
18-channel
0.8 µmsynoptic
CMOS1
FLCPHY3 chip
Bias Detector Preamplifier
Shaper
Track
&
Hold
T&H
200V
FLCPHY3
- PIN diode -Variable gain
- dual gain
- 10mm cells - High dyn. Range - 200 ns peaking time
10
- Low noise
- high linearity
10
30 march 2004
30 March 2005
1complementary
•
•
•
•
•
•
BiCMOS 0.8µm
18 channels
Area : 6 mm2
VSS = - 5V
Pd = 250 mW
TQFP64 packg
metal oxide
C. de La Taille FLCPHY chip for FLC W-Si calorimeter
semiconductor
CALOR 2004 Perugia
IFAE Catania - E. Garutti
6
40