P-ILC
Proposta per un inizio di attivita’
Massimo Caccia
Universita’ dell’Insubria / INFN Milano
Parametri principali [http://www.fnal.gov/directorate/icfa/LC_parameters.pdf]:
•
•
•
•
s = 200-500 GeV  1 TeV
integrated Luminosity 500 fb-1 over 1st 4 years (L = 2 x 1034 cm-2 s-1)
80% electron polarisation  50% positron polarization
2 interaction regions with easy switching ( 2 & 20 mrad Xing angle)
No. bunch/treno
2820
t bunch [ns]
~300
t treni [ms]
~200
x,y [nm]
543,5.7
z [m]
300
Pbeam [MW]
11
t b1-b2 = 10 anni
gradiente b1-b3 ~ 3
Batch 3
t b2-b3 = 5 anni
costo b1-b3 ~1/4
3 batch di cavita: b1, b2, b3
Batch 2
t bunch [ns] ~300
Sezioni d’urto
&
“benchmark reactions”
Detector concepts
US
Small
EU
Large
ASIA
XXL
Design guidato dalla separazione tra
sciami carichi e neutri:
ILC Milestones
2004
2005
2006
2007
2008
GDE (Design)
2009
2010
(Construction)
Technology
Choice
Acc.
CDR
TDR
Start Global Lab.
Done!
Det.
Detector Outline
Documents
CDRs
LOIs
Detector R&D Panel
Detector
R&D Phase
Collaboration
Forming
Construction
Tevatron
SLAC B
HERA
LHC
T2K
• Piano di lavoro confermato @LCWS 05 + SNOWMASS 2005
• Barry Barish GDE (Global Design Effort) Director
Italians:
• Pisa: Bellettini, Carpinelli, Cervelli, Pagliarone, Scuri
• Frascati: Bertolucci, Guiducci, Peruzzi, Piccolo, Raimondi,
• Milano: Bulgheroni, Caccia, Pagani
• Pavia: Introzzi
Un esempio: il VTX detector Working group
(Y. Sugimoto, M. Battaglia & M. Caccia)
•
Define the boundary conditions on the development:
a.
b.
•
Engineering aspects:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
•
Cabling
Mechanics
Installation and maintenance
Cooling
Interactions with surrounding detectors
Dependence of the VTX on the detector concept
Sensor technology & evaluation figures:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
•
•
Physics needs (impact on physics benchmarks):
–
Radii – geometry
–
Material budget
–
Pattern recognition figures
Running conditions:
–
Particle background
–
EMI background
–
Neutron flux
–
Ionizing radiation
Single point resolution
Backthinning
Readout speed
Radiation tolerance
Power consumption
Stability of the baseline technology
Costing
Software tools
Condizioni al contorno dello sviluppo del VTX detector
•
risoluzione intrinseca e spessori dalla risoluzione sul parametro
d’impatto e la geometria:
Rin = 15 mm
Rout = 60 mm
ip = [5  10/p sin 3/2 ] m
•
velocita’ di lettura dalla densita’ di hit
spuri di background:
• point ~ 2.5m
• spessore ~ 0.1%X0/layer
(~100 m)
•
vincoli sulla geometria dalla velocita’ di lettura; e.g. nel TESLA-TDR la
modularita’ del layer interno era 8, allo stato attuale e’ 20, presumendo
parallel column readout e lettura di un frame ogni 20 s
• vincoli sulla struttura meccanica e sullo spessore/strato dalla dissipazione
termica e dalla temperatura di lavoro (air flow vs liquid cooling)  power
cycle sfruttando il duty cycle basso & Ileak da danneggiamento da radiazione
•
radiation hardness ( ~ 109 n/cm2/anno e 5*1012 e/cm2/anno)
• EMI compliant
Tecnologie ed architetture
Architetture/
tecnologie
Parallel Column
readout
In situ storage
Sparse data
scan
CCD
LCFI (UK)
LCFI-ISIS
-
CMOS
IRES (Strasbourg)
RAL-FAPS
“difficile”
SOI
Possibile
Possibile
Possibile
DEPFET
MPI-Bonn et al (D)
-
-
The Frascati Brainstorming meeting
June 7th agenda:
 Welcome address (Massimo, Marcello, Mario Calvetti) 15’
 the Global Design Effort (David Miller) 30’
 Physics @ the ILC (Marco Battaglia) 45’
 Detector and machine; concepts & status (Ties Behnke) 45’
 Coffee! (16:45 -> 17:15)
 Overview of subdetector concepts & international R&D’s:
• Vertexing (Marc Winter) 30’
• Silicon Tracking (Aurore Savoy Navarro) 30’
• Calorimetry & muon (J.C. Brient) 30’
June 8th : brainstorming session within the subdetector panels  shape
the possible Italian Contribution + to-do-list
Risultato principale del meeting di Frascati
• 4 sezioni pronte a formalizzare una proposta per un inizio di
attivita’ nel 2006 (Milano, Pavia, Roma III, Ferrara)
• diverse sezioni contemplano una attivita’ in ILC a partire dal
2007 (Torino, Padova, Pisa, Frascati; interessi anche da Trieste,
Perugia)
• le 4 sezioni che costituiscono il nucleo di questa proposta sono
focalizzate sullo sviluppo di Rivelatori a Pixel Monolitici
La tecnologia di base:
Miminum Ionising particle MOS Active pixel sensors
I rivelatori a pixel monolitici basati sulla tecnologia e l’architettura dei
CMOS imager per luce visibile rappresentano uno degli sviluppi piu’
avanzati per la rivelazione di particelle ionizzanti ad alta granularita’:
• Basati sulla raccolta della carica generata
nello strato epitassiale (spessore 2-14 m,
dipendentemente dalla tecnologia) (signale
piccolo: ~80 coppie e-h/ m)
• Rivelatore a diffusione e non a deriva (il
volume sensibile NON e’ svuotato  cluster
di carica di dimensioni ~ 50 m, tempi di
raccolta ~ 150 ns)
• Architettura di base semplice (3T: reset,
indirizzamento, diodo collettore)
• Economica (e.g. ~ 50 kEUR per un
engineering run, tecnologia AMS 0.6 m, 3
wafers + 3)
SUCIMA
Runner-up technology:
Silicon On Insulator su substrato ad alta resistivita’
Meeting con mr. YAMAMOTO, HAMAMATSU PHOTONICS, disponibile ad
intraprendere una linea di sviluppo dedicata al tracking ad alta
granularita’ (6 Settembre; + Bonn, AGH-Krakow, KEK(?))
Le attivita’ proposte
• sviluppo di un rivelatore a Pixel monolitico che implementi un
sistema di sparsificazione on pixel
• progettazione e realizzazione di un sistema di acquisizione dati che
possa processare in tempo reale unita’ di 1 Mpixel
• progettazione e messa in opera di un telescopio
caratterizzazione su fascio dei rivelatori in fase di sviluppo
per
la
Sviluppo di una architettura di sparsificazione
• motivazione:
garantire una architettura compatibile con un tasso di
background dell’ordine di 5 hit/cm2/bunch crossing  frame rate a 50 kHz
(20 s), mantenendo le prerogative di risoluzione per punto e spessore del
rivelatore tali consentire una risoluzione sul parametro di impatto di 5 
10/(P sin 3/2 ) m
• principale difficolta’: implementare circuiti NMOS & PMOS nella cella
senza indurre perdite di efficienza di raccolta di carica
• “workhorse”: tecnologie 0.13 m con “triple well”;
Piano di lavoro:
•
2006, primo semestre: test delle strutture 8x8 pixel in 0.13 m (STm
& IBM) (PRIN-Bg, Pv & Pisa) ed n x n pixel in 0.25 m (TSMC) (MIMOSA-GR
5 Roma III e Milano)
• 2006,
secondo
semestre:
progettazione,
produzione
e
caratterizzazione di strutture di test tecnologiche e circuitali per la
realizzazione del circuito di sparsificazione
• 2007, primo semestre: realizzazione di una matrice < 64 x 64 pixel
che integri il circuito di sparsificazione on-cell e con limitata
funzionalita’ di controllo a bordo
• 2007, secondo semestre: caratterizzazione sotto punte, con sorgenti e
laser e test su fascio
• 2008: prototipo che integri la logica di controllo; valutazione della
necessita’ di integrare un ADC (NON on cell ma per chip)
Attivita’ permanenti: technology watch, inclusa la possibilita’ di
orientarsi sulla tecnologia SOI (partenariato con HAMAMATSU)
Sviluppo di un sistema di DAQ
• Motivazione: realizzare un sistema di acquisizione dati in tempo
reale che consenta la “zero suppression” di sistemi a n Mpixel, con
n > 1, e frame rate da 0.1 – 50 KHz.
• background: il SUCIMA imager e sistemi analoghi sviluppati da
Strasburgo
Piano di lavoro:
•
2006, primo semestre: progettazione del primo prototipo di scheda di DAQ
con funzionalita’ ridotte
• 2006, secondo semestre:integrazione della scheda nel sistema di
acquisizione del telescopio a strip in fase di realizzazione
• 2007, primo semestre: integrazione delle funzionalita’ avanzate
(soppressione degli zeri). Test e commissioning.
• 2007, secondo semestre: compatibilita’ con I diversi sensori in fase di
sviluppo. Definizione dei parametri per un telescopio basato su 1 Mpixel
sensors.
• 2008: realizzazione di un DAQ per un telescopio basato su MIMOSA 5
Attivita’ permanenti: compatibilita’ con I diversi sensori (CCD, DEPFET, MAPS,
SOI). Definizione di uno standard di lavoro.
Costruzione di un “telescopio”
Piano di lavoro
• 2006 -> primo semestre 2007: realizzazione e messa in opera
di un telescopio a strip (HW da ROMA III):
12 piani di rivelatori a strip,
Passo di lettura 50 micron
• secondo semestre 2007 -> 2008: realizzazione di un “pocket
telescope” basato su 4 piani si MIMOSA 5
Risorse
Richieste finanziarie 2006
Last, but not least…
• partecipazione a EUDET (an I3, EC program)
• partecipazione al programma di R&D con HAMAMATSU, una volta
siglata una LOI ed un Memorandum of Understanding con i possibili
partner [costo stimato del primo anno di attivita’ ~ 100 kEUR;
partner interessati finora: P_ILC, Bonn, AGH-Krakow. Contatti con
KEK]