L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di
vertice a pixel di silicio
Gabriele Chiodini
Fermi National Accelerator Laboratory
P.O. Box 500 Batavia, IL 60510, USA
Presentato a:
INFN - Lecce, Italia
Ottobre 14, 2002
L’obiettivo dell’esperimento BTeV e’ misurare con
precisione i parametri del MS e cercare in modo
sistematico inconsistenze al fine di scoprire fisica
oltre il modello stesso.
Se “nuova fisica” verra’ scoperta al Tevatron o a LHC,
per
poter
distinguere
tra
vari
modelli
sara’
necessario compiere misure di precisione.
–J. Ellis: “My personal interest in CP violation is driven by the
search for physics beyond the Standard Model…”
Le misure da compiere a tal proposito sono:
• lati ed angoli del triangolo unitario in modo
ridondante ed ad elevata statistica (violazione di CP
in Bd e Bs, Bs mixing).
• Cercare
segnali
dove
il
MS
non
ne
prevede
(decadimenti rari del b, mixing e viol. di CP nel c).
BTeV e’ in grado di fare queste misure
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
2/70
Sommario
•
Motivazioni
» Fisica dei sapori
» Violazione di CP
•
L’esperimento BTEV
»
»
»
»
»
•
R&D dei rivelatori a pixel al Fermilab
»
»
»
»
»
•
Introduzione
Sistema di tracciamento
Identificazione di particelle
Trigger e DAQ
Status
Introduzione
Rivelatore a pixel ibrido
Risoluzione spaziale
Elettronica CMOS 0.25 mm
Status
Conclusioni
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
3/70
Motivazioni – Fisica dei sapori
Matrice CKM e fisica del b

1 2
 1 2 
3
λ
Aλ  ρ-iη 1- λ    d
 1- λ
2
  2 



1 2 2 4
2
2
V= 
-λ
1- λ -iηA λ
Aλ 1+iηλ   s
2


3
2
-Aλ
1
 Aλ 1-ρ-iη 
b


c


u
c
-1/3
2/3
W-
t
Matrice CKM:
• 0.22 (dec. semileptonico quark s).
• A0.8 (dec. semileptonico quark b).
• VV+=1 unitarieta’:
• soppressione FCNC
• 6 triangoli unitari
• I 4 angoli b,g,c,c’ determinano
la matrice V completamente
Ott. 14 2002
qL Vqq’ qL’
c
g
G.Chiodini - INFN Lecce
b
4/70
Motivazioni – Fisica dei sapori
Il triangolo unitario bd
Triangolo unitario bd:
(  , )
*
ub
a
V
 Vcb
(0,0)
g
Vtd
 Vcb
b
(1,0)
• e dalla violazione di CP in K.
• 2+2 da Vub/Vcb
• -12+2 dal mixing di Bd e Bs.
• BaBar e Belle hanno misurato
sin(2b)=.79±.1 con CPV nel Bd.
• CDF misurera’ il mixing nel Bs.
Incertezza significativa nella posizione
del vertice:
• Incertezze teoriche: e, Dm e Vub/Vcb
• Statistica in sin(2b).
a, g, MOLTO piu’ difficili da misurare.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
5/70
Motivazioni – Violazione di CP
Ingredienti necessari
La simmetria CP e’ violata se
contiene accoppiamenti complessi.
Lint   gi Oi + gi*Oi+
i

 (CP )Oi (CP ) +  Oi +
LCP
int  Lint  gi  gi
*
la
lagrangiana
Lint
Il MS esplicitamente viola
la simmetria CP attraverso
il SOLO parametro .
La violazione di CP si misura attraverso assimetrie di
decadimento tra paricelle ed antiparticelle.
A  aeia s e -ia w
a
A+ B + A + B
2
2
A+ B - A + B
2
A  aeia s eia w
2
Bb

a 2 + b 2 + 2ab cos a w cos a s
ab

a

w
s
2ab sin a sin a
(a w , a s )  (-a w , a s )
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
B b
Interferenza tra 2
ampiezze con diversa
fase debole e forte
6/70
Motivazioni – Violazione di CP
Interferenza decadimento-mixing
Autostati di massa nel
sistema neutro B0-B0
-( imL + L )
t
2
-( imH + H )
t
2
t 0
BL  p B 0 + q B 0 
e
t 0
BH  p B 0 - q B 0 
e
Mixing+decadimento generano
la
seconda
ampiezza
che
interferisce
con
il
decadimento diretto.
Pais-Treiman
q
 0
0
0
B
(
t
)

g
(
t
)
B
+
g
(
t
)
B
+

p

p
 B 0 (t )  g - (t ) B 0 + g + (t ) B 0

q
g  (t ) 
(e
1
- L t +imL t
2
Ott. 14 2002
e
2
 B0 (t ) | f  g + (t ) Af +
1
- H t + imH t
2
)
g - (t )
 fase " forte"
g + (t )
G.Chiodini - INFN Lecce

q
g - (t ) Af
p
q Af
 fase debole
p Af
7/70
Motivazioni – Violazione di CP
“Golden mode” 1: |f> autostato di CP
B0Ks
Mixing box diagrams
ACP
1
ACP
q (Vtb*Vtd ) 2
- 2 ib


e
in Bd
2
p VtbVtd
( B 0 (t )  f CP ) - ( B 0 (t )  f CP )
ACP (t ) 
 - Im  sin( Dmt )
0
0
( B (t )  f CP ) + ( B (t )  f CP )

ACP 

0
0
dt

(
B
(
t
)

f
)

(
B
(t )  f CP )
CP

0


0
0
dt

(
B
(
t
)

f
)
+

(
B
(t )  f CP )
CP

sin( 2b )


-
x
Im 
1+ x2
0
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
8/70
Motivazioni – Violazione di CP
“Golden mode” 2: |f> non autostato di CP
Bs Ds-K+,
Bs Ds+K-
Bs Mixing
q (Vtb*Vts ) 2

1
2
p VtbVts
in Bs
 CKM  sin( 2 + O(2 ))

2 - t
2 Dmt
2
2 Dmt

(
B
(
t
)

f
)

|
A
|
e
(cos
+

sin
-  sin( CKM +  strong ) sin( Dmt ))
s
f

2
2

Dmt 2
Dmt
( Bs (t )  f ) | A f |2 e -t (cos 2
A f + 2 sin 2
+  sin( CKM -  strong ) sin( Dmt ))
2
2


2 - t
2
2 Dmt
2 Dmt

(
B
(
t
)

f
)

|
A
|
e
(

cos
+
sin
+  sin( CKM +  strong ) sin( Dmt ))
s
f

2
2

Dmt 2
Dmt
( Bs (t )  f ) | A f |2 e -t (2 cos 2
A f + sin 2
-  sin( CKM -  strong ) sin( Dmt ))
2
2

Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
9/70
Motivazioni – Violazione di CP
Contaminazione da diagrammi a pinguino


A
   q f  e -i 2( mix + decay) soltanto se un' ampiezza nel decadiment o 


p Af


Tree diagram (DI=1/2,3/2)
( B0 (t )  f ) 
| A f |2
2

e -t (1+ |  |2 ) + (1- |  |2 ) cos( Dmt ) - 2 Im  sin( Dmt )

e
“Contaminati”
da diagrammi
a pinguino
g
Bs+Ks
Ott. 14 2002
- ig
Penguin diagram (DI=1/2)
B0+
a
b
Teoricamente
pulito
B0Ks
G.Chiodini - INFN Lecce
e - ib
10/70
Motivazioni – Violazione di CP
Analisi di isospin
Analisi sul Dalitz plot di B0 +-0 (con un solo 0)
Tree amplitude = Tij DI=1/2,3/2
Penguin amplitude = Pi DI=1/2

 B0|ρ + π -  T + - + P0 + P1

- +
-+

B
|ρ
π

T
+ P0 - P1

0
2  B |ρ 0 π 0  T + - + T - + - T 0+ - T + 0 - 2 P
0
0

AB0   
L’intensita’ del Dalitz
plot oscilla nel tempo
e dipende da: sin( 2a )

cos( 2a )
Ott. 14 2002
f +  B0|ρ + π -  + f -  B0|ρ -π +  +2 f 0  B0|ρ 0π 0 
Breit-Wigner
G.Chiodini - INFN Lecce
f (m, ) 
cos 
 

2 m - m - i 
2

11/70
Motivazioni – Violazione di CP
Ricerca di nuova fisica
Nuova fisica e’ messa in evidenza se:
• a+b+g10.
• Nuova fisica potrebbe rimanere nascosta se
a-zNP+b+zNP + g  .
• BTeV testera’ in modo profondo
il MS misurando c~0.03:
BsJ/y , BsJ/y 
2 sin b sin g
sin c  
sin( b + g )
Le asimetrie di CPV
dipendono dai modelli:
• Supersimmetrie
• Extra multipletti di Higgs
• Quarta generazione
• Simmetria LR (WR)
• FCNC mediate da Z’
• …
Ott. 14 2002
Mixing: MS vs SUSY
Decadimento: MS vs SUSY
G.Chiodini - INFN Lecce
12/70
BTeV – Introduzione
Locazione di BTeV
La futura casa di BTeV: la nuova
regione d’interazione CZero
Fixed Target
Experiments
CDF
Valore
ECM
2 TeV
L di picco
21032 cm-2 s-1
L integrata
2 fb-1/year
Bunch crossing
132 ns
Larghezza RI
50 mm
Lunghezza RI
30 cm
<Inter./crossing>
2
Sez. d’urto tot.
~ 67 mb
Sez. d’urto bb
100 mb
Sez. d’urto cc
> 500 mb
D0
p
p
Tevatron
1TeV
Main injector
150GeV +
recycler antip
Ott. 14 2002
Parametro
G.Chiodini - INFN Lecce
13/70
BTeV – Introduzione
Produzione di beauty
b prodotti quasi a riposo
• Energia vincolata
• sbb/ stot1/3 alla (4s)
•
Risonanza  o Z0
Z0
Produzione di b-antib alle risonanze e+ e-
*** B-factory ***
e+(3.1GeV) e-(9GeV) : bg0.56
b relativistici
• Energia variabile
• sbb/ stot1/500
• B, Bs, barioni con b
•
Processi dominanti nella adroproduzione di b-antib
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
14/70
BTeV – Introduzione
BTeV e B-factory
• Bo+  - (BR=0.45x10-5)
e +e BTeV
L (cm-2s-1) s
#Bo/107s e
eD2 #tagged
1034 1.1 nb 1.1x108 0.45 0.26
56
2x1032 100mb 1.5x1011 0.021 0.1
1426
-7)
• B-Do K - (Full product BR=1.7x10
o
7
e +eBTeV
L(cm-2s-1) s
#B /10 s e
1034 1.1 nb 1.1x108 0.4
2x1032 100mb 1.5x1011 0.007
#
5
176
• Bs , Bc e Lb non prodotti ad e+e- Y(4S)
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
15/70
BTeV – Introduzione
Regione “forward”
Ridotto Multiplo
Scattering
B ed antiB nello
stesso emisfero
(“b tagging”)
L=2×1032cm-2s-1
<inter/crossing>=2
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
16/70
BTeV – Introduzione
Lo spettrometro BTeV
•
•
Toroids
•
Misure di p nel trigger.
Rivelatore di vertice a
pixel.
– Trigger con
decadimenti adronici
Misura di momento
–
•
p
p
•
•
•
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
Dp/p=1% a 100 GeV.
Ecal a cristalli di PbWO4
– g and 0.
Ring Imaging Cerenkov
(RICH).
– K, , p
– Leptoni a basso p
– Tagging del sapore.
Rivelatore a muoni
– Ridondanza nel
trigger.
DAQ veloce e di alta
capacita’ di
memorizzazione dati
17/70
BTeV – Introduzione
”Tagging” del sapore
• e  efficienza  (Nright+Nwrong)/(Ntot)
• D  diluizione  (Nright-Nwrong)/(Nright+Nwrong)
• Efficienza effettiva di tagging  eD2
• Metodo in ordine decrescente di eD2:
– Away side K±
– Away side Muoni (da fare con Elettroni).
– Same side ± (per Bo) or K± (per Bs).
– Away side Jet Charge (si sovrappone con ASK e ASM).
• Ciclare sui metodi, partendo da quello piu’ effettivo, e
fermarsi quando si ha una risposta.
eD2 (Bo) = 0.10, eD2 (Bs) = 0.13
differenza dovuta al “same side tagging”
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
18/70
BTeV – Introduzione
Misura della matrice CKM (107sec)
B (B)(x10-6) # of Events
Reaction
Bo+-
Parameter
Error or (Value)
14,600
3
Asymmetry
0.030
300
7500
7
g
8o
445
168,000
10
sin(2b)
0.017
3000
59,000
3
xs
(75)
170
1
g
13o
4.5
Bs Ds KBoJ/y KS
S/B
J/y l+ l -
Bs Ds B-Do (K+-) K-
0.17
B-Do (K+K-) K-
1.1
1,000
>10
B-KS -
12.1
4,600
1
Bo K+-
18.8
62,100
20
Bo+-
28
5,400
4.1
Booo
5
780
0.3
330
2,800
15
670
9,800
30
BsJ/y  J/y l+lBsJ/y 
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
<4o +
g
theory errors
a
~4o
sin(2c
0.024
19/70
BTeV – Introduzione
Decadimenti rari (107sec)
Reaction
B (10-6) Signal S/B
Physics
BoK*om+m-
1.5
2530
11
polarization
& rate
B-K-m+m-
0.4
1470
3.2
rate
bsm+m-
5.7
4140
0.13 rate: Wilson
coefficents
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
20/70
BTeV – Introduzione
BTeV e B-factory “New Physics” modes
BTeV (107s)
Mode
Yield
Tagged S/B
B-fact (500 fb-1)
Yield
Tagged S/B
BsJ/y
12650 1645 >15
B-fK11000 11000 >10 700
700
4
BofKs
2000
200 5.2 250
75
4
BoK*m+m2530 2530 11 ~50 ~50
3
Bs m+m6
0.7 >15
0
Bom+m1
0.1 >10
0
D*++Do, DoK+ ~108 ~108 large 8x105 8x105 large
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
21/70
BTeV – Introduzione
BTeV e LHCb I
• LHC ha 5x sezione d’urto e 1.6x S/B.
• BTeV ha rivelatore di vertice in campo magnetico
– Rimuove tracce a basso p nel trigger (alto multiplo scattering)
• BTeV e’ progettato attorno ad un microvertice a pixel
– Bassa occupanza, basso rumore, facile “pattern recognition”
– Permette di determinare la presenza di vertici secondari per il
trigger di primo livello.
– Importante per accumulare grande statistica nei decadimenti rari
del beauty e charm.
– Permette di prendere dati con piu’ interazioni per crossing.
• BTeV ha un ECAL di ottima qualita’
• BTeV intende registrare su disco 5x b/sec
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
22/70
BTeV – Introduzione
BTeV e LHCb II
Mode
BR
BTeV
Yield
LHC-b
S/B
Yield
S/B
Bs Ds K- 3.0x10-4
7530
Bo+-
2.8x10-5
5400 4.1 2140 0.8
Booo
0.5x10-5
7 7660
776 0.3
880
7
not
known
(107sec)
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
23/70
BTeV – Sistema di tracciamento
Rivelatore di vertice a pixel
• Facile ricostruzione delle tracce con misura di punti nello spazio (x,y,z)
• Resistenza alla radiazione (21014 particelle cm-2y-1)
• Ridotto affollamento di hit ed elevato S/N
Rivelatore di vertice planare
Rivelatore ibrido a pixel
Readout chip
Sensor
Bump
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
24/70
BTeV – Sistema di tracciamento
Rivelatore di vertice a pixel: assemblaggio mezza stazione
14,080 pixels (128 rows x 110 cols)
50 mm
sensor module
Multichip module
1 cm
400 mm
128 rows x
22 columns
5 chips di readout
5 cm
Si pixel sensors
HDI flex circuit
Wire bonds
Sensor module
Pixel detector half-station
Ott. 14 2002
Readout module
G.Chiodini - INFN Lecce
Bump bonds
25/70
BTeV – Sistema di tracciamento
Rivelatore di vertice a pixel: sistema meccanico
• Rivelatore assemblato in
due meta’.
• Attuatori pneumatici
muovono le due meta’ in
(x,y):
– Pixel allontanati durante
il caricamento dei bunch pantip.
• No beam pipe:
– Rivelatore nel vuoto
– schermato dal fascio con un
sottile foglio di Al.
• Collegamenti elettrici con
PCB sigillate mediante
O-ring.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
26/70
BTeV – Sistema di tracciamento
Rivelatore di vertice a pixel: assemblaggio rivelatore di vertice
Connectors to Data Combiner Board
Feedthrough Board
Cable heat sink
Flex cables
Half station
Cooling pipe
Test di degasamento nel vuoto fatto con
10% del rivelatore assemblato:
•
Panelli di Al a –160°C hanno permesso di
raggiungere ~10-9 torr per qualsiasi T
delle stazioni di pixel
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
27/70
BTeV – Sistema di tracciamento
Forward tracker: Straw + SSD
Occupanza delle straw con b-antib
• Rivelazione Ks e L
• Proiettare tracce nel
RICH, EMCAL, Riv a muoni
• Scelta tecnologica
conservativa (CDF/D0 ed
esperimenti a LHC):
– Straw a grande angolo
– Microstrip di silicio
vicino ai fasci
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
28/70
BTeV – Sistema di tracciamento
SMD (Silicon Microstrip detector)
• Readout sparsificato ad
ogni bunch crossing.
• Nessuna informazione di
carica.
• Sensori:
–
–
–
–
p/n
300 mm di spessore
100 mm di passo
7x7 cm2
• Vista assemblata con 4
ladder.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
29/70
BTeV – Sistema di tracciamento
SMD (Silicon Microstrip detector)
• Struttura leggera di C per
sostenere i 4 ladder che
formano un piano
• Apertura diagonale per
montaggio lungo la beam
pipe
• Tubi di raffreddamento sul
lato posteriore
Ott. 14 2002
• 3 viste (x,u,v) per
stazione.
• Viste sovrapposte e
agganciate mediante pin di
bloccaggio ad elevata
precisione.
G.Chiodini - INFN Lecce
30/70
BTeV – Sistema di tracciamento
Straw
• Diametro straw 4 mm.
• Film esterno: kapton.
• Strato di Al conduttivo.
• Film interno: kapton+C.
Ott. 14 2002
• Vista di misura a tre
strati.
• 3 viste (X,U,V) per stazione.
• Misura del tempo di drift.
G.Chiodini - INFN Lecce
31/70
BTeV – Sistema di tracciamento
Efficienza delle straw
Gas
HV
Eventi
Eff.
ethr
Ar-CO2(80-20)
Ar-Ethane (5050+1.6%ethanol)
1300
934
55.2%
10
1350
1446
80.7%
7
1400
3600
92.0%
3
1450
4700
94.7%
2
1450
1661
66.8%
10
1500
5489
86.4%
5
1550
1983
95.1%
3
Misure di efficienza dei prototipi di straw costruiti al
Fermilab.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
32/70
BTeV – Identificazione di particelle
RICH
• L’identificazione di particelle e’ necessaria
esperimento di fisica del b.
• Separare /K/p necessaria tra 3 e 70 GeV.
- Limite inferiore determinato dal magnete
in
un
- Limite superiore dovuto alla cinematica del decadimento
a due corpi del B.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
33/70
BTeV – Identificazione di particelle
RICH: radiatore
cos Cherenkov  
1
1
nb
C5F12 liquid n=1.24
Aerogel
n=1.03
C4F10 gas n=1.00138
3 GeV
9 GeV
18 GeV
--- 
--- K
--- p
• Aerogel del proposal
2000 scartato dopo
accurate simulazioni
• C4F10 usato da DELPHI,
HERA-B, HERMES, COMPAS,
…
• C5F12 – usato come gas
da DELPHI (punto di
eboll. 280C); studiato
allo sato liquido nel
laboratorio.
No separazione K/p sotto 9 GeV
Particelle cariche
assorbite dal magnete nel gas! a un 20 radiatore
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
34/70
BTeV – Identificazione di particelle
RICH: layout
Mirror Focused Gas Radiator RICH
Mirror
Array
beam
pipe
Gas
Radiator
C4F10
gs
Proximity Focused Liquid RadiatorRICH
HPDs
or
MAPMTs
Liquid
Radiator
C5F12
+
particle
gs
PMT tradizionali 3”
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
35/70
BTeV – Identificazione di particelle
RICH: sensori attivi per radiatore a gas
3.4”
g
quartz
0pe
BTeV
1pe HPD
2pe
R5900-M16
18.0
3pe
R7600-M16: no outer
insulating layer
20.00 kV
• Fotodiodi
ibridi
19.89 kV
e-
15.83 kV
– Segnale = 5000 e– HV = 20kV, 19.89kV,
15.83kV
0 kV
Connection pins
R8900-M16
– Sensibili a Bperp
• Nuovo Multi-anodo PMT:
– nuova focalizzazione sul primo dinodo
Diodi di Silicio con 163 pixels
Ott. 14 2002
– area attiva 85%, 45% in R7600, 36% in R5900
– non c’e’ bisogno di lenti
G.Chiodini - INFN Lecce
36/70
BTeV – Identificazione di particelle
RICH: specchi per radiatore a gas
2.2 mm glass +
CF + foam
(2.2% of X0)
6 mm glass
(4.7% of X0)
Turnov, Czech Republic
(COMPASS)
Circa la giusta dimensione
e curvatura. Buona qualita’.
Verra’ usato nel test su
fascio del 2003.
CMA, Tuscan, AZ
Curvatura sbagliata.
Piu’ R&D e soldi per prototipi.
Materiale minimo per non degradare lo ECAL.
Altre tecniche da esplorare:
per esempio: specchi Hades
glassy-carbon – “Sigradur”
0.8% di X0
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
CF alone
(~1-2% of X0)
37/70
BTeV – Identificazione di particelle
RICH: risoluzione angolo Cherenkov
Radiator
n
Per photon
Cherenkov
angle
resolution
Per track
Ott. 14 2002
C5F12
1.00138
1.24
Chromatic
0.45 mrad
in visible wavelengths!
3.7 mrad
Emission point
0.53 mrad
0.4 mrad
mirror tilt
Photodetector
segmentation
0.45 mrad
Total
0.83 mrad
(cost!)
5.5 mm hex
Photons
Resolution
Separation
C4F10
5.3 mrad
3” round
6.2 mrad
63
0.10 mrad
12.4
1.9 mrad
Mid
momentum
17.8s
35 GeV K/
6.4s
6 GeV K/p
High momentum
4.4s
70 GeV K/
2.8s
9 GeV K/p
G.Chiodini - INFN Lecce
38/70
BTeV – Identificazione di particelle
RICH: Simulazioni
HPD hits
Radiatore a gas
Per estrarre g da BSaDsK
bisogna soppirmere
BSaDs
B0aK
Radiatore liquido
Migliora il tagging effettivo
(eD2) di ~25% per BS e
~10% per B0
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
39/70
BTeV – Identificazione di particelle
Calorimetro elettromagnetico
Il
•
•
•
•
calorimetro elettromagnetico deve identificare:
singoli g: BK*g,…
0: B ,…
 e ’: BsJ/y , BsJ/y  ,…
Elettroni: BJ/y Ks, BXll, BXln ,…
E’ necessario un calorimetro di elevata qualita’ :
ECAL a Cristalli di PbWO4:
• Tecnologia sviluppata da CMS
• Resistenti alla radiazione (10Mrad)
• Scintilllazione veloce (15ns 60%)
• Lettura con fototubi (B=0)
Campione
di
cristallo
• 11000 cristalli 2.7x2.7x22cm3
PbWO4.
• Geometria proiettiva
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
40/70
BTeV – Identificazione di particelle
Calorimetro elettromagnetico : test su fascio a Protvino
Prototipo di supporto
meccanico di Al (celle in
fibra di carbonio come
in CMS troppo costose)
5X5 blocchi di
PbWO4 di
Bogoriditsk usato
al test su fascio a
Protvino
Prestazioni simili a quelle del ECAL di CLEO/BaBar/BELLE
ad un collisionatore adronico!
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
41/70
BTeV – Identificazione di particelle
Calorimetro elettromagnetico : calibrazione
(Gy)
• Confermata resistenza alla radiazione e parziale recupero
dopo l’esposizione
• Segnale dipendente dal rate
• LED con diversi colori usati per periodica calibrazione
• Ogni cristallo avra’ le sue curve di calibrazione
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
42/70
BTeV – Identificazione di particelle
Calorimetro elettromagnetico : simulazioni Bo
9.9x106 eventi di background
Bo+- S/B = 4.1
Booo S/B = 0.3

o
g
fondo
segnale
g
mB (GeV)
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
mB (GeV)
43/70
BTeV – Identificazione di particelle
Rivelatore di muoni

Trigger m+m-

Calibra il trigger
principale

Misura di p “stand-alone”

Efficienza>80%
con reiezione di
“minimum bias” >500

Stazione di ottanti sovrapposti
4 viste per stazione (r, u, v, r)

r
Ott. 14 2002
u
12 “plank”
per ottante
v
G.Chiodini - INFN Lecce
44/70
BTeV – Identificazione di particelle
Rivelatore di muoni: ”plank” di tubi proporzionali
• Modulo
(detto
“plank”)
di
due
strati
di
proporzionali (diametro=3/8”, spessore=0.01”).
• Rumore misurato vicino al limite teorico (2 fC)
tubi
Plank efficiency > 99%
Gas: 85% Ar – 15% CO2
Frazione di eventi con
un solo tubo
Plateau from 1.6kV to 1.75kV
Test stand per raggi cosmici
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
Voltage (Volts)
45/70
BTeV – Trigger e DAQ
BTeVdet ect or
Architettura
7
Front-e ndele ctronic s>3x10
channels
m
7.6 MHz
PIX
m
Level-1
1.5 TB/s
L 1 mu o n
G lo b a l
Le
v e
l-1
L1 v e
tx
r
Level-1Buffe rs
GL1acce
I a
m
r
fo
n
Tr
n
tio
sfe
n
a
Co
lH a
tr
n
wa
d
r
e
r
L1 rate reduction: ~100x
Re
q .d a
tfo r
IT C H
ro s
c
in g #
N
C ro s
in g #
N
Level2/3Cros s ingSwitc h
L2/3 rate reduction: ~20x
Level-2/3Buffe rs
RDY
Level-2/3Processor
#1 Farm
#2
#m-1
#m
Level-3accept
DataLogging
4 KHz
Ott. 14 2002
L2/3~2500 Linux PC
G.Chiodini - INFN Lecce
46/70
BTeV – Trigger e DAQ
Trigger di 10 livello: algoritmo
Pixel “esterni”
Pixel “interni”
Segmenti “esterni”
Segmenti “interni”
Evento accettato se 2 o
piu’ tracce soddisfano:
 pT2  0.25 (GeV/c) 2

b  6s b
b  0.2 cm
B-meson

p
p
b
Ott. 14 2002
p
p
Efficienza > 50%
Reiezione min. bias ~
100
G.Chiodini - INFN Lecce
47/70
BTeV – Trigger e DAQ
Trigger di 10 livello: architettura
30 station pixel detector
FPGA segment trackers
(~500 FPGA)
Switch: sort by crossing number
track/vertex farm
(~2500 processors)
Merge
Trigger decision to Global Level 1
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
48/70
BTeV – Trigger e DAQ
Trigger di 10 livello: prestazioni prototipo
Prototipo di track/vertex farm realizzato con DSP TIC6711
13
8
4
Intel Pentium III-M 1.13 GHz
Motorola MPC7400 G4 500MHz
1
BTeV Proposal
TI C6711 DSP 150MHz
0
2
4
Ott. 14 2002
6
8
10
12
14
G.Chiodini - INFN Lecce
Velocita’ di esecuzione
normalizzata rispetto a DSP
TIC6711
49/70
BTeV – Status
Storia
•
•
•
-
•
Gennaio 1999: programma di R&D approvato dal Lab.
Giugno 2000: approvazione Stage I.
- Spettrometro a due bracci.
Inverno 2001: La situazione fondi si deteriora.
- Il Lab chiede un proposal per un rivelatore con un
braccio.
- La RI riusera’ componenti di CDF/D0.
Maggio 2002: approvazione Stage I del rivelatore con un
braccio.
- Un braccio solo strumentato (almeno inizialmente).
- PAC raccomanda al laboratorio di esplorare altre
soluzioni per la RI.
- Calcolo offline attraverso universita’ (GRID).
- Costo ridotto da circa 180M$ a circa $110M.
Ottobre 2002: Temple review interna al Lab.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
50/70
BTeV – Status
Futuro
•
Inverno 2002: DOE review mediante commissione
P5.
– Essenziale per ottenere grossi finanziamenti
• Primavera 2003: Lehman baseline review.
• 2004-2008: Fondi per la costruzione.
– Installare componenti di test per aquisire
esperienza reale.
– Installazione a stadi per completare la
costruzione in anticipo.
• 2008: Inizio presa dati.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
51/70
Pixel a FNAL – Introduzione
Microstrip e Pixel di silicio
I rivelatori a microstrip hanno avuto un impatto decisivo
nella fisica dei quark pesanti:
• Misura vita media dello D (CERN, E687-FOCUS a FNAL, …).
• Misura vita media del B( LEP,SLD,CDF,D0,…).
• Scoperta del quark top a CDF (b-tagging).
Vantaggi microstrip:
• Elettronica ai lati
• Poco materiale.
Vantaggi pixel:
• Punto di misura nello spazio.
• Basso rumore (ridotta Cin e Idark).
• Resistenza alla radiazione.
I pixel sono essenziali nel tagging dei sapori pesanti
(c,b,t a LHC e al Next Linear Colliner
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
52/70
Pixel a FNAL – Pixel ibrido
Rivelatore ibrido: matrice di diodi + matrice di celle di
elettronica:
•Sviluppo e ottimizzazione indipendenti del sensore e del chip di
lettura.
• Sono richiesti circa 5000 bump-bonding per cm2 per connettere
le celle del sensore con le celle di readout (flip chip
technique) .
Metalli per il bump:
Indio (In) e lega SnPb
•
•
Under Bump Metal (Cr, TiW, Cu, Au, …):
•
strato di adesione,barriera di diffusione e prevenzione
dell’ossidazione
Caratteristiche del processo di bonding:
1. Indio : bump su entrambi i lati, evaporazione, temperatura
ambiente, pressione.
2. Lega SnPb: bump su un solo lato, electroplating, alta
temperatura, reflow.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
53/70
Pixel a FNAL – Pixel ibrido
Sensori n+/n/p resistenti alla radiazione
Vdep 
qNeff d 2
2e
Vdep = potenziale di svuotamento, d=spessore del rivelatore,
e = costante dielettrica,
Neff = concentrazione portatori maggioritari
 fluence  1014 cm-2
Tecnologia
n+/n/p
type inversion
Funzionanti parzialmente
svuotati dopo l’inversione del
tipo di portatori
Struttura multi-guard ring
No corrente di superfice
sul cut-edge
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
54/70
Pixel a FNAL – Pixel ibrido
Tecnologia p-stop e pspray
L’isolamento inter-pixel
e’necessario per
interrompere il canale
di e- indotto da SiO2
low resistivity
high resistivity
SINTEF p-stop
ATLAS TESLA
mod. p-spray
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
55/70
Pixel a FNAL – Pixel ibrido
Elettronica di lettura: schema a blocchi
• Registri di mascheramento e
iniezione di carica.
• 4 timestamp nella logica di
colonna.
• Architettura a colonna e “data
driven” (No trigger).
• Serializzatore dati ad alta
velocita’
• 1,2,4, o 6 linee
• 140 Mbits-1linea-1
• V e I programmabili con DAC
sul chip.
• Segnali I/O di tipo LVDS
• uscite “point to point”
• controlli su un bus comune
• Indirizzamento assoluto usato
per programmare il chip.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
56/70
Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale
Prototipi equipaggiati con FPIX0 e FPIX1
•1997: FPIX0, HP 0.8 um CMOS
– front-end a due stadi, uscita analogica della carica.
•1998: FPIX1, HP 0.5 um CMOS
– front-end a due stadi, 2 bit FADC/cella, veloce R/O senza trigger.
FPIX0 64x12cells
8 bit external ADC
FPIX1 160x18cells
2 bit internal FADC
•ST1-CiS p-stop
•Two ST1-Seiko p-stop
•ST2-CiS p-spray
•ST2-Seiko p-spray
Bonded active area 3.2x4.4mm2 Bonded active area 8x6.8mm2
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
57/70
Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale
Test su fascio 1999
Interazione ricostruita nei
piani di pixel: densita’ di
tracce 10 volte superiore a
quella di BTeV
Target
3.2 mm X 4.8mm
7.2 mm X 8.0 mm
• Test con fascio di pioni a 227 GeV (multi. scatt.  1.2 mm).
• Ricostruzione nello spazio delle tracce con un Telescopio a
microstrip di Si( risoluzione  2 mm non deconvoluta dai dati).
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
58/70
Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale
Risultati (test su fascio 1999)
FPIX0 pstop (8bit) Qth=2500eFPIX0 pspray (8bit) Qth=2200eFPIX1 pstop (2bit) Qth=3780e-
Nel caso del sensore
p-spray (vecchio tipo)
la perdita di carica
peggiora la risoluzione
spaziale in modo
significativo.
La risoluzione si degrada
meno di 1 um passando da 8
bit (nominali) a 2 bit.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
59/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mm
Motivazione
In CMOS radiazione ionizzante crea centri
di “trapping” per lacune nel SiO2:
– Vth shift.
– ILeakage in un MOS e tra MOS.
Gate sottili:
– rimozione lacune per tunnel elettronico
quantistico se tox <6nm.
Regole di layout (RD49):
– NMOS senza bordo (no MOS parassiti).
– NMOS con guard ring (no ILeakage tra MOS).
Caratteristiche di “deep submicron”:
– Alta densita’, buona velocita’, basso
rumore, bassa potenza, alto yield e basso
costo.
 eccellente per pixel
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
Linear
geometry
D
D
G
S
S
G
Enclosed
geometry
60/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mm
Elettronica di lettura: Front-end
• FE ottimizzato per 132 ns di BCO.
• Compensazione DC di Ileakage in DSM.
• Flash ADC/cella a 3 bit.
•1999: PreFPIX2_T, matrice
2x160, TSMC 0.25 um CMOS
Risposta analogica
dell’amplificatore di carica
prima e dopo esposizione g
(33 Mrad) fatta mediante una
sorgente di Co60 ad Argonne.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
61/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mm
Test di radiazione con protoni a IUCF: Setup
Devices Under Test
LVDS
driver
board
200 MeV
Protons
PCIPTA
Card
LVDS
driver
board
100 foot
twisted cable
2.5V Power
Supplies
•
•
•
•
•
•
•
GPIB
Laptop
Test fatti in aria.
No filtri.
Flusso=2·1010pcm-2s-2
1.5cm
beam
(90%)
misurato
con
film
sensibile
Allineamento Laser
Monitoraggio
con
video remoto.
Dosimetria :
• Coppa di Faraday
• SEEM
Concrete walls
•2000: 4 preFPIX2_I, matrice 18x32, CERN 0.25 um CMOS.
5 preFPIX2_Tb, matrice 18x32, 14 x 8 bit DAC, TSMC 0.25 um CMOS.
•2002: Data output interface e LVDS driver, TSMC 0.25 um CMOS.
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
62/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mm
Effetti dose totale: Risultati
Tutte le 4032 celle testate di Front-End hanno funzionato prima e
dopo l’irraggiamento.
Distribuzione di soglia tra
celle del chip piu’ irragiato
Ott. 14 2002
Distribuzione del rumore tra
celle del chip piu’ irragiato
G.Chiodini - INFN Lecce
63/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mm
Effetti dose totale: Risultati
Non linearita’ del DAC che stabilisce la
soglia del chip per diverse dosi
Time walk dopo l’irragiamento.
Qover-drive=150eTW = 130 ns
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
64/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mm
Single Event Effect
Adroni producono particelle secondarie
di piccolo range e elevata carica
rilasciando una grande energia.
A) Gate Rupture (SEGR):
Danneggiamento totale o parziale
del dielettrico del gate a seguito di una
moltiplicazione a valanga.
B) Latch-up (SEL):
Accensione di un MOS (parassita)
che produce una elevata corrente.
C) Upset (SEU): Cambiamento di uno stato
in corrispondenza di un
nodo circuitale sensibile
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
Short
Circuit!
Bit flip:
10
65/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mm
Single Event Effect : Risultati
• Nessun evento catastrofico (gate rupture,
latch up…) osservato
– Il rate e’ garantito essere accettabile per BTeV.
• Sezione d’urto d’errori logici soft (single
event upset) misurata
• da 1 a 6x10-16 cm2bit-1 per registri statici.
• circa 2x10-15cm2bit-1 per registri a 140 MHz di clock
Rate di SEU in un ora nello
intero rivelatore di vertice
a pixel alla luminosita’
nominale di L=2x1032cm-2s-1.
 Non c’e bisogno di logica
ridondante o altre
complicazioni
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
66/70
Pixel a FNAL – Resistenza alla radiazione
Rivelatore rad-hard
Pulser relative calibration [V]
Xray sources [e-]
Tb, Ag, Rb
CiS-moderated-pspray
preFPIX2Tb
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
67/70
Pixel a FNAL – Status
Sensori a pixel per BTeV
Tesla moderated p-spray
• sviluppati dalla collaborazione
ATLAS
Il substrato di Silicio e’
ossigenato
• Danneggiamento rispetto a
protoni diminuisce (ROSE:RD48)
Ogni wafer contiene:
Ott. 14 2002
• 1 sensori a “4-chip”
• 3 sensori a “6-chip”
• 3 sensori a “5-chip”
• 2 sensori a “8-chip”
• 5 sensori a “1-chip”
G.Chiodini - INFN Lecce
68/70
Pixel a FNAL – Status
FPIX2 chip
Test outputs
•
FPIX2
verra’
sottomesso
fine del mese (Oct. ‘02):
–
–
–
–
22 cols by 128 rows
•
•
Chip periphery
Internal bond
pads for Chip ID
Ott. 14 2002
•
alla
TSMC (Taiwan Semic. Man. Corp.)
0.25um CMOS, 5 metalli, 2.5V.
Layout “Rad-Hard”.
Dimensioni
e
funzionalita’
richieste da BTeV.
La sottomissione e’ basata sugli
ottimi
risultati
dei
piccoli
prototipi realizzati e testati.
1 riga di 70 pad per lo “wire
bonding”.
Numero di identificazione del
chip sul modulo fatto con “bond
pad” interni.
G.Chiodini - INFN Lecce
69/70
Conclusioni
1.
2.
3.
4.
BTeV e’ un esperimento tecnologicamente aggressivo ma
fattibile con la tecnologia esistente.
Sostanziali R&D sono avviati in tutte le componenti di
BTeV, in particolare in parti cruciali dell’esperimento
quali i pixel, il Trigger di 10L e il calorimetro e.m.
Test su fascio dei vari rivelatori alla “Meson area” del
Fermilab dagli inizi del 2003.
Prototipi di rivelatori a pixel, soddisfacenti alle
richieste di BTeV, sono stati realizzati a FNAL :
•
» Elevata risoluzione spaziale.
» Resistenza alla radiazione.
» Elevata velocita’ di lettura.
Ora e’ necessario affrontare le problematiche relative alla
costruzione ed integrazione di un rivelatore esteso, completo
e robusto.
•
•
“Yield” delle sue varie componenti.
Un leggero e retrattile supporto meccanico e di
raffredamento da installare e cablare in alto vuoto.
BTeV aspetta l’approvazione finale dal DOE nel 2003
Ott. 14 2002
G.Chiodini - INFN Lecce
70/70