R&D sui Silicon PM:
calorimetria per ILC
Programma Sezioni LNF-RM1
L’International Linear Collider
• 200 GeV < √s < 500 GeV
• Luminosità integrata ~ 500 fb-1
in 4 anni
• Potrà raggiungere 1 TeV
• 2 regioni d’interazione
Cavità superconduttrice
300 ns di intervallo tra i fasci
Disegno di base completo
Disegno tecnico e studio
costi entro il 2006
Informazioni su ILC: http://www.linearcollider.org/
GR1-Ts, 20/09/2006
Richieste dalla fisica per la calorimetria
• I canali di fisica a bassa statistica (e+e-→ZHH)
richiedono risoluzione in energia dei jet al livello di
30% / √E
• Al momento una simile performance sembra
ottenibile da metodi di Particle Flow
• Questi ultimi richiedono
− Elevata segmentazione trasversa e longitudinale
− Ermeticità
− Risoluzione angolare sui fotoni e adroni neutri
• Ragioni di costo inoltre richiedono elevata densità
dei radiatori calorimetrici
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Eventi 2Z,2W+(Emiss,Pmiss)
La risoluzione in energia dei jet in eventi con
energia e momento mancanti è essenziale per
la fisica
30% E
60% E
Risoluzione tipo ALEPH
Obiettivo a ILC
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Studio dell’ Higgs a ILC
60%/√E
S
√B
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30%/√E
Metodo del “Particle Flow”
2
 E  K p2 p 4  K e2.m.. Ee.m.  K Had
EHad
jet
~10%
~50%
…+ termini di confusione !
Termini rilevanti: risoluzione
adronica, errori di clustering
Minimizzare gli errori di
attribuzione dei clusters
Aumentare la granularità
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Differenti simulazioni di un pione da 6 GeV
3x3 cm2 + 0.12l
3x3 cm2 + 0.24l
5x5 cm2 + 0.12l
Il “pattern” di una
cascata adronica è
difficile da
caratterizzare…
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Sommario delle richieste sulla
calorimetria per ILC
• Assumendo l’uso di PFA:
− Segmentazione trasversa molto elevata (associazione
clusters)
− Segmentazione longitudinale elevata (imaging
calorimeter)
− E per singola particella tipica di calorimetro a
sampling
• L’ottima P richiesta al tracker comporta l’uso di
B=3-5T bobina spessa calorimetria all’interno
della bobina
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Una possibilità realistica (DESY)
Al DAQ
38 piani
80000 piastrelle
1 piano:
2m2
2000 piastrelle
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Fotomoltiplicatore a Si (SiPM)
Il SiPM è una matrice quadrata di fotodiodi
 ogni pixel (se colpito) produce lo stesso segnale
 l’ unica uscita somma tutti i pixel
 il segnale = N di celle colpite
 Segnale proporzionale al N. di fotoni (in assenza di saturazione)
Dimensione dei pixel:
da ~25 x 25 mm2 a ~100 x 100 mm2
Dimensione del SiPM:
da 0.5 x 0.5 mm2 a 5 x 5 mm2
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Il SiPM è un dispositivo promettente
…sia per applicazioni
calorimetriche che
per rivelazione di m
Minicalorimetro a DESY
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Stato del Silicon PM
Scintillatore (3x3x0.5 cm3)
con fibra diWLS (1mm)
ITEP
Alta granularità e basso
costo allo stesso tempo
• SiPMs da MEPHI / PULSAR (in
collaborazione con DESY)
− Guadagno 106, bias ≤ 50 V,
dimensioni 1x1 mm2
− Segnali ~ 1 mV su 50Ω
− Insensibilità a B fino a 4 T
− Noise ~ 1 MHz /mm2 a 25°
− Dip. da T: G ~ 2% /K
− Dip. da V: G ~ 2.5% /0.1V
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Calibrazione e disomogeneità…
0 pixel
1 pixel
2 pixels
E.Garutti, CALOR 2006
gain
Calibrazione simultanea
di 18 SiPM con un unico
LED e 18 fibre ottiche
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Test beam di CALICE – SPS (H6b)
>4 MIP
>1.8MIP & <4MIP
>0.5MIP & <1.8MIP
V.Morgunov
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Disponibilità
SiPMs sono prodotti da:
- ITC-IRST Trento
- CPTA Moscow
- JINR Dubna
- MEPhI/Pulsar, Moscow
- Dubna/Micron (MSR, Metal Resistive Layer)
- Hamamatsu, Japan (“MPPC”): 1 x 1 mm2 100 – 1600 pixel (100 – 25 mm)
- SensL, Ireland: 1x1 mm2, ?? pixel
Hamamatsu MPPC
1 x 1 mm2, 100 pixel
MEPHi/Pulsar
5 x 5 mm2, 2500 pixel GR1-Ts, 20/09/2006
Dubna MSR
SiPMs sensibili al blu
N D’Ascenzo
• Nuovi SiPM da Hamamatsu
• 400 pixels su 1mm2, crosstalk
moderato
• Segnale 6 volte più grande
• Accoppiamento semplificato
senza WLS
• Scintillatore più sottile
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13 ph.e / MIP
Riunioni P-ILC passate e future
• 21/3: P-ILC a Roma-Sanità
• 24/5: P-ILC a Frascati
• 14/6: VRVS meeting (F.Sefkow)
• 28-29/6: P-ILC a Frascati
• 6-10/11: ILC-ECFA and GDE Joint
Meeting a Valencia
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Il programma di LNF e RM1
• L’attività del gruppo di RM1 sarà
principalmente rivolta alla
caratterizzazione dei SiPM in
quanto rivelatori di luce
• L’attività del gruppo dei LNF sarà
rivolta invece principalmente
all’integrazione dei SiPM con le
mattonelle di scintillatore
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Programma di RM1
• Prima fase:
Misure di prototipi di SiPM disponibili prodotti da varie
Ditte utilizzando un impulsatore di luce rapido a LED:
• Crosstalk
• Range dinamico
• Dark Noise
• Studio di nuovi SiPM (luce blu, …)
• Seconda fase:
Utilizzando luce laser a differenti lunghezze d’onda:
• Efficienze quantiche
• Studio dei pixel a livello microscopico
• Studi di MC sui dati ottenuti alla BTF e implicazioni per la
calorimetria
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Programma ai LNF (2007)
• Prima fase: preliminari
− Familiarizzazione con i SiPM e determinazione delle
caratteristiche dell’elettronica associata
− Studio dell’accoppiamento SiPM-scintillatore
• Seconda fase: studio con prototipi
− Realizzazione di prototipi con diversi SiPM e
varietà di scintillatore
− Misura di spettri di carica in cosmici vs. T
− Misure alla BTF
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Programma ai LNF (2008)
• Completamento misure (SiPM + tile) alla BTF:
− Guadagno e linearità
− Efficienza di raccolta della luce
− Risoluzione temporale
• Esame di possibili applicazioni a rivelazione di m
• R&D su elettronica front end+DAQ, prevista
collaborazione con servizi Elettronica LNF
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