ATLAS UPGRADES. F. Tartarelli. CdS 13 Luglio 2017

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1 ATLAS UPGRADES F. Tartarelli CdS 13 Luglio 2017

2 ATLAS, il piu grande esperimento a LHC Trigger: Fast TracKer (FTK) Milano coinvolta in ATLAS sin dalla costruzione Calcolo: Tier2 F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 2

3 Dove siamo oggi e dove andiamo LHC ha un percorso approvato e finanziato di upgrade per aumento della luminosita LHC Run 3 (Fase 1) Run 4 (Fase 2) al High Luminosity LHC (HL-LHC) Upgrade degli esperimenti: Fase 1: in via di realizzazione Fase 2: in via di approvazione e finanziamento (scrittura dei Technical Design Report) F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 3

4 LHC, la macchina dei record Nuovo record di luminosita istantanea raggiunto il 28/06/2017: 2556 di bunch di protoni circolanti in LHC, 1.08 x protoni/bunch Luminosita record: 1.58 x cm -2 s -1! (58% maggiore della nominale) Sembra possibile arrivare fino a ~2.2 x cm -2 s -1 Gia raccolti 5.7 fb -1 di dati nel 2017 F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 4

5 Attivita gruppo di Milano Gruppo impegnato simultaneamente su varie attivita : Running dell esperimento: shift di presa dati (Control Room, on-call, experts), maintenance sw e hw dei sistemi di cui siamo responsabili Analisi dati: Higgs, SUSY, ricerca di Dark Matter e di nuova fisica, misure di Standard Model Calcolo: Tier2 Upgrade del rivelatore di Fase 1 Upgrade del rivelatore di Fase 2 F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 5

6 Upgrades di Fase 1 F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 6

7 Trigger upgrades FTK usa 12 layers del tracker: 4 layers of Si pixel and 4 double layers of Si strips (2x4) Nuovo trigger del calorimetro LAr F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 7

8 FTK Il cuore del sistema di trigger FTK e un chip di memoria associative, AM06, capace di immagazzinare 128k patterns (pattern: 18 bits x 8 words), confrontarli con i dati e settare una memoria se c e un match Grosso contributo di Milano nello sviluppo del chip (tecnologia TSMC 65 nm) Il Sistema consiste di 8192 AMchip ½ della produzione gia effettuata e in test presso una ditta (Microtech di Altopascio) Per il 2018 e prevista la produzione e il test dei chip rimanenti Attivita del gruppo di Milano: Seguire i test, manutenzione/upgrade del sistema di test (realizzato da Milano) presso la ditta A. Andreani, V. Liberali(*), S. R. Shojaii, A. Stabile (*) responsabile italiano di FTK F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 8

9 Calorimetro Upgrade del Sistema di trigger per renderlo piu granulare Possibilita di implementare algoritmi piu sofisticati e ridurre il fondo Richiede una nuova scheda di trigger e una modifica al baseplane del crate che ospita la scheda di trigger (e il resto delle schede di front-end) Entro il 2018 dobbiamo consegnare al CERN, prodotti e testati, i nostri due deliverables per questo upgrade 8 baseplane di tipo EMEC-special (+spares) 124 power boards per la alimentazione della nuova scheda di trigger (+spares) F. Tartarelli CdS - 13/07/2017 9

10 Baseplanes Trasferisce dal calorimetro alle schede di FE e alla scheda di trigger i segnali analogici low-level Design terminato Tutti i component necessari sono stati acquistati In corso di individuazioni di una ditta che realizzi e assembli un prototipo Primi test a Milano: Connettivita Rumore totale, rumore coerente, cross-talk Poi test col resto del Sistema al CERN E infine inizio produzione finale se tutto ok prototipo EMEC-std (LAL, Orsay) Mauro Citterio, Fabrizio Sabatini F. Tartarelli CdS - 13/07/

11 Power boards Parte di alimentazione della nuova scheda di trigger, realizzata come mezzanina Prende in input tensioni da 4 a 11 V e crea le tensioni necessarie per alimentare la scheda di trigger tramite: DC/DC converter della Linear Technology LTM4619 per la parte digitale Regolatori lineari ST LHC4913 e LHC7913 per la parte analogica Prototipo 2016 (utilizzava regolatori CERN FEAST) Prototipo 2017 Realizzata anche board di test (2017) F. Tartarelli CdS - 13/07/

12 Power boards Board testata con successo senza/con carico Tutte le tensioni presenti, segnali di controllo ok Una board e stata inviata a BNL per test di integrazione con il resto della scheda di trigger Se i test hanno successo, dopo qualche modifica ad alcune linee, verra prodottta una nuova versione della scheda e infine si partira con la produzione Tutte le board prodotte dovranno essere testate a Milano e poi inviate a BNL/Saclay per essere montate sulla scheda di trigger Power board montata sulla scheda di trigger a BNL M. Citterio, S. Latorre, M. Lazzaroni F. Tartarelli CdS - 13/07/

13 Upgrades di Fase 2 F. Tartarelli CdS - 13/07/

14 Upgrade di Fase 2 Upgrades di ATLAS per prepararsi ad operare alle condizioni di HL-LHC: Luminosita istantanea fino a 7.5 x cm -2 s -1 Pile up medio di 200 collisioni inelastiche per beam crossing 10 anni di operazioni per raccogliere 3000 fb -1 Gestione del pile-up e resistenza alle dosi di radiazioni attese richiedono sostanzali upgrade di ATLAS, tra cui: Completa sostituzione del tracciatore Sostanziale upgrade del Trigger e dalla Data Acquisition (TDAQ) Sostituzione di elettronica di front-end obsolete, non rad-hard e non compatibile con il nuovo schema di acquisizione dati F. Tartarelli CdS - 13/07/

15 Attivita di Milano di Fase 2 Attivita di Milano in Fase 2: Nuovo tracciatore a pixel Nuovo trigger di traccia Elettronica di front-end del calorimetro ad argon liquido Dal 2015 R&D per questi progetti nell ambito della sigla di Gruppo 1 RD_FASE2 La sigla si chiude quest anno e dal 2018 viene sostituita dalla sigla FASE2_ATLAS nella quale si vuole finanziare lo sviluppo dei pre-prototipi per Fase 2 e poi verra anche usata per le richieste/assegnazione del contributo core Questo corrisponde ad una fase dell upgrade in cui tra il 2017 e il 2018 si scriveranno i Technical Design Report e si decidera il contributo finanziario di ogni FA Tutto cio sia a livello CERN che a livello italiano corrisponde ad un sostanziale cambio di passo nel progetto Costo: ~270 MCHF INFN ~18 MCHF ITk: ~120 MCHF, Pixel ~45 MCHF INFN ~5 MCHF TDAQ: ~43 MCHF, Track Trigger/FTK ~17 MCHF ~2.3 MCH: Elettronica LAr: ~31 MCHF INFN ~1.4 MCHF F. Tartarelli CdS - 13/07/

16 ITK, il nuovo tracker di ATLAS per Fase2 Sostituzione del Transition Radiation Tracker con un sistema completamente in silicio Estensione del sistema a pixel: η <2.5 η <4 3 layers, R max = 122 mm 5 layers, R max = 271 mm 2 m m 2 F. Tartarelli CdS - 13/07/

17 ITk-Milano: Sensori Bump bonding: tradizione di bump-bonding con indio con Leonardo-Finmeccanica produzione del 50% dei moduli dell attuale pixel detector aumento della densità dei bump di un ordine di grandezza dovuto alla più fine segmentazione dei pixel HV/HR CMOS rivelatori monolitici con regione di svuotamento risparmio fino al 60% rispetto a rivelatori ibridi proposta per layer esterno dei pixel decisione sull opzione a fine 2018 applicazione degli R&D di Gr. 5 HVR_CCPD G. Alimonti, A. Andreazza, M. Citterio, V. Liberali F. Tartarelli CdS - 13/07/

18 Module assembly Costruzione in Italia di circa 1400 moduli diverse tipologie: Sensori 3D per innermost barrel Sensori CMOS per outermost barrel Sensori planari per endcap Sezioni dotate di infrastrutture adeguate: Milano+Genova Recentemente acquisita wire bonder DELVOTEC QA condiviso con altri laboratori italiani (BO, TN, UD, CS, LE) Occasione per completare le dotazioni della sezione: wire-bond pull tester pick-and-place machine A. Andreazza, M. Citterio, S. Coelli, F. Manca, F. Sabatini, M. Gesmundo F. Tartarelli CdS - 13/07/

19 Meccanica Comunità italiana impegnata nella costruzione di uno dei due end-cap Progettazione e costruzione della meccanica e servizi: Simulazione termica e termo-meccanica Cooling e power distribution (bus tape) degli half-ring Test termici con impianto bifase CO 2 (TRACI) S. Coelli, M. Citterio, M. Monti F. Tartarelli CdS - 13/07/

20 Track Trigger Le condizioni estreme di HL-LHC richiedono algoritmi di trigger piu sofisticati ai livelli piu bassi della catena di trigger La ricostruzione hw di tracce (sia regional tracking che full scan ) strumento fondamentale per ridurre i rate e tenere soglie di trigger simili alle attuali Evoluzione di FTK: L1Track/Eftrack (regional), FTK++ (full scan) Alla base di questi progetti c e un evoluzione del chip di memoria associativa usato per FTK F. Tartarelli CdS - 13/07/

21 AMchip F. Tartarelli CdS - 13/07/

22 Track Trigger Milano ha la leadership nella collaborazione di questi sviluppi che porterannno al chip AM09 che verra usato in ATLAS V. Liberali, A. Stabile, L. Frontini F. Tartarelli CdS - 13/07/

23 Calorimetro LAr La attuale elettronica di front-end del calorimetro non e compatibile con la Fase II: Non ha la necessaria resistenza alle radiazioni, non e compatibile con la nuova architettura di trigger Tutta l elettronica andra sostituita: 1524 FEBs, 120 board di calibrazione, tutta l elettronica di back-end La nuova elettronica di FE funzionera a tensioni diverse (piu basse) di quelle attuali e quindi tutto il sistema di alimentazione andrà riprogettato Milano ha la responsabilita di realizzare: lo schema di alimentazione per la nuova elettronica di Front-End la distribuzione e regolazione delle alimentazioni sulle schede di Front-End Ingredienti: Bus primario: circa 280 V Bus intermedio: 24 o 48 V POL sulla scheda per creare le tensioni necessarie all elettronica di FE F. Tartarelli CdS - 13/07/

24 LVPS Fondamentale e la realizzazione del power supply (LVPS) che prende in input 280V (o voltaggio simile) e crea 24 o 48V. Potenza necessaria: 3 kw Gli attuali LVPS sono situati on-detector in una posizione non accessibile durante la presa dati (richiede apertura di ATLAS): Grosso punto di debolezza del sistema: un malfunzionamento potrebbe rendere inutilizzabile una grossa parte del calorimetro per mesi Abbiamo recentemente dimostrato che e possibile, con una opportuna scelta di cavi, spostare i nuovi LVPS in una posizione piu esterna e quindi piu facilmente accessibile: Proposta accolta con molto interesse dalla collaborazione Questo apre la possibilita ad unita con un fattore di forma piu standard (moduli in un un crate) rispetto alla situazione attuale F. Tartarelli CdS - 13/07/

25 Posizione attuale: Non accessibile facilmente Richiede component rad-tol Campo magnetico basso Nuove possibili posizioni: Piu facilmente accessibili Minor livello di radiazioni Effettuati dei sopralluoghi per individuare spazi possibili, per esempio vicino alle pixel PP2 box Campo magnetico piu alto (0.5 T) F. Tartarelli CdS - 13/07/

26 Lar power In contatto con CAEN per l acqusizione di un prototipo nel 2018 CAEN ha gia realizzato per noi un prototipo qualche anno fa nell ambito del progetto di Gruppo V APOLLO In parallelo stiamo studiando l utilizzo di device GaN della Texas Instruments per dimostrare che possono sostituire i MOSFET Si attualmente funzionanti sul prototipo di PS sviluppato con CAEN: Promettono di essere piu rad-hard Stiamo valutano di usare un controller rad-hard sviluppato dal CERN per controllare i GaN Stiamo anche studiando i DC/DC converter da usare sulla scheda di FE insieme ai nuovi LVPS Abbiamo gia effettuato alcuni test con radiazioni (neutroni e gamma) e altri sono progettati quest anno e in futuro Prevediamo di effettuare test con campo magnetico al LASA Il goal e di arrivare ad un prototipo completamente ingegnerizzato del sistema entro 2-3 anni M. Citterio, S. Latorre, M. Lazzaroni F. Tartarelli CdS - 13/07/

27 Anagrafica (preliminare) 31 persone, 25.2 FTE, 3 senior 24 FTE tra ATLAS e FASE2_ATLAS 1.2FTE da AIDA (risommabili in ATLAS) F. Tartarelli CdS - 13/07/

28 Richieste servizi Elettronica: 60% Mauro Citterio, 30 mesi-uomo tecnici PDB construction, testing and QA Baseplane test completion FTK support and generic maintenance Module assembly (RD53 and CMOS) Probing of bare modules Irradiation tests on various samples + test preparation Design and construction of flex circuits LVPS design and test Progettazione e Officina Meccanica: 30% S. Coelli, 24 mesi-uomo tecnici R&D e costruzione prototipi per pixel endcap: FEA termici e termo-meccanici, collaborazione con laboratori UK, realizzazione tubo curvo di raffreddamento a CO2 per prototipi half-ring, test con sistema CO2 TRACI, ciclaggi termici, etc... Lavori per montaggio moduli CMOS Attivita Fase 1 Attivita Fase 2 F. Tartarelli CdS - 13/07/

29 Richieste finanziarie 2018 M&O B (from CERN-RRB , ATLAS RRB, April 25, 2017): Pixel: 164 kchf IDGen: 60 kchf LAr: 37 kchf Consumi camera pulita: 2 keuro FTK: Produzione seconda meta` dei chip AM06: 120 keur Test seconda meta` dei chip AM06: 30 keur Tier2: keuro keuro (CPU, 13.6 khs06) 72 keuro (Disco, 400 TBn) 10.1 (OH rete) 12.7 (OH server) F. Tartarelli CdS - 13/07/

30 Richieste finanziarie 2018 FASE2_ATLAS: LAr: 20 keuro - Acquisto POL e regolatori, montaggio su schede di test custom (e relativi componenti), sviluppo e costruzione di un sistema di test Lar 25 keuro - Produzione di moduli di alimentazione con diverse soluzioni di DC/DC converters, acquisto dei relativi componenti, sviluppo e costruzione di un sistema di test; Acquisto scheda/e di power da un sistema commerciale con relativo crate ITK: 179 keuro - Track Trigger: Prototipazione AM keur Track Trigger: Acquisto nuovo server per progettazione AM09-25 keur Missioni: circa 300 keuro Approx stesso livello delle richieste del 2017: turni, metabolismi, responsabilita, test al CERN e irraggiamenti F. Tartarelli CdS - 13/07/

31 Infrastrutture ITK: LAr: electronic load 1.8 kw Keysight 17 keuro (2019) Track Trigger: Acquisto nuovo server per progettazione AM09-25 keur (2018) F. Tartarelli CdS - 13/07/

32 Backup F. Tartarelli CdS - 13/07/

33 F. Tartarelli CdS - 13/07/

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38 LAr electronics F. Tartarelli CdS - 13/07/