Upgrade dei rivelatori di ALICE

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1 Upgrade dei rivelatori di ALICE con particolare attenzione al futuro tracciatore interno (ITS) 1

2 Precisa caratterizzazione QGP Fisica di ALICE dopo LS2 Efficiente rivelazione, ai bassi p T accessibili ad ALICE, di: - adroni con sapori pesanti (meccanismi adronizzazione tramite rapporti barione/mesone, coefficienti di trasporto nel QGP) - dileptoni di piccola massa e basso p T (ripristino simmetria chirale, evoluzione equazione di stato, temperatura) - quarkonia, J/ψ, ψ e χ C fino a bassissimi p T e in un più ampio intervallo di rapidità (confronto fra adronizzazione statistica e meccanismi di dissociazione/ricombinazione) - jet (ruolo di quark e/o gluoni nella formazione di jet, frammentazione del charm) Misure con basso rapporto segnale/fondo, per cui inefficiente un trigger è necessario raccogliere grandi moli di dati Statistica 100: 10 da luminosità, 10 da readout continuo 2

3 Questo programma richiede Accrescere frequenze readout fino a 50 khz per interazioni Pb-Pb con luminosità superiore a cm 2 s 1, e oltre i 200 khz per eventi p-p Il programma di ALICE dopo LS2 prevede di conseguire una - luminosità integrata > 10 nb 1 ( eventi) per Pb-Pb - luminosità integrata > 6 pb 1 ( eventi) per p-p (dati riferimento) il tutto in circa 6 7 anni, 1 mese/anno dedicato a H.I. Migliore risoluzione sui vertici, soprattutto a basso p T Maggior efficienza nel tracciamento Mantenimento delle attuali capacità di identificazione 3

4 Velocità di readout attuali: p-p minimum bias: ~ 1k Hz Pb-Pb minimum bias: ~ 500 Hz 4

5 Per conseguire ciò ü ü ü ü ü ü Nuova beampipe con diametro ridotto è migliora risoluzione parametri d impatto (attuale diametro interno di 58 mm; si passerà a 34.4 mm, con spessore 0.8 mm di Be) Nuovo tracciatore interno (ITS), ad alta risoluzione e impatto ridotto in termini di material-budget Sostituzione camere a fili della TPC con GEM, nuova elettronica per un read-out continuo Ottimizzazione/rinnovamento elettronica readout di TOF, PHOS, TRD, Muon Spect. per adeguare ad alte frequenze previste Upgrade dei rivelatori di trigger in avanti Radicale aggiornamento sistemi on-line per processare eventi Pb-Pb con trigger minimum bias; ricostruzione off-line e schema d analisi 5

6 Fisica Rivelatori - Sapori pesanti e di-elettroni di piccola massa: rivelatori chiave sono ITS, TPC e TOF - Quarkonia a rapidità intermedia: TRD con trigger minimum-bias, rate a 27 o 100 khz (Pb-Pb), a seconda che si leggano ADC raw o parametri di traccia Informazioni di TRD combinate con ITS, TPC e TOF - Quarkonia a grande rapidità: Muon Spectrometer con proprio trigger (+ MFT) Informazioni ITS, per ricostruire vertice primario, combinate nel sistema on-line - Jet: EMCal sia con trigger minimum-bias, fino a 50 khz, che col proprio trigger Informazioni combinate con altri rivelatori centrali, in fase di costruzione evento 6

7 Rates di lettura previsti per i principali rivelatori di ALICE dopo l'upgrade Rivelatore ITS TPC Max rate R/O (khz) (p-p e Pb Pb) lettura continua lettura continua TOF TRD EMCal 50 Muon Spect. 5 Beampipe: - tolleranze fabbricazione e allineamento meccanico è raggio minimo di clearance di 12.1 mm - Materiale e struttura, da 1 m oltre punto d interazione, in base a simulazioni fondi e considerazioni d ordine pratico 7

8 - 6 strati cilindrici di rivelatori al silicio ITS attuale - Distanze radiali fra 39 e 430 mm - Pseudo-rapidità η < 0.9 (± 60 mm da IP) - de/dx sui 4 strati esterni - Cablaggi, connettori e tubi refrigerazione da entrambi le estremità Strati ± z [cm] # moduli Risoluzione [µm] rφ z Mat. budget % X o Beampipe SPD SDD 22.2 ; Mat. budget totale ITS: 7.85 % X 0 2 SSD 43.1 ;

9 r Φ z Ris. param. impatto ITS vs. p T, per rφ e z Tracce ricostruite con 1 cluster per traccia su ogni strato ITS M.C. per risoluzione in p T ITS stand-alone ITS + TPC M.C. per efficienza tracciamento di ITS standalone vs. p T, urti centrali Pb-Pb, rivel. funzionante 100% 9

10 Media troncata de/dx per tracce ricostruite solo con ITS - Limitazione cruciale attuale ITS è rate d acquisizione In tabella tempi di read-out e max. rate, con 100% tempo morto - Trascurabile dipendenza tempo read-out da occupancy Rivelatore R/O time (µs) Max. rate (Hz) SPD SDD SSD

11 Middle layers Outer layers Nuovo ITS Inner layers - 7 strati cilindrici di chip Monolitic Active Pixel Sensors (MAPS) - Copertura pseudo-rapidità: η < 1.22, su 90% zona d emissione - Cavi, connettori e tubi di refrigerazione da una sola estremità Simulazioni mostrano che rinuncia a PID con ITS, ha un costo trascurabile per misure del nuovo programma quali: ricostruzione della Λ C, misura di di-elettroni di piccola massa 11

12 Obiettivi del nuovo ITS 1. Migliorare di un fattore 3 la risoluzione sul parametro d impatto - uno strato di rivelatori in più, e più vicino all asse del fascio - riduzione di un fattore 4 su material budget strati più interni (riduce la probabilità di conversione di fotoni) - ridurre dimensione del singolo pixel (da µm 2 a µm 2 ), e lo spessore di ogni chip (dagli attuali 350 µm a 50 µm) 2. Migliorare efficienza tracciamento e risoluzione sui bassi valori di p T - una più fitta granularità: uno strato di rivelatori in più e una ridotta dimensione del pixel - una globale riduzione del material-budget/layer 3. Readout veloce - readout Pb-Pb ad almeno 50 khz, e p-p oltre le centinaia di khz (readout continuo à trasmissione informazioni da matrici di pixel indipendente da un avvenuta interazione, e readout con trigger. Nel primo caso si associano segnali a uno specifico evento durante la ricostruzione on-line) 12

13 Il nuovo ITS in numeri Inner Barrel (IB): 3 strati di pixel Dist. radiali (mm): 23.4, 31.5, 39.3 Lunghezza in z (mm): 270 Nr. chip: 108, 144, G-pixel 10 m 2 Outer Barrel (OB): 4 strati di pixel Dist. radiali (mm): 194, 247, 353, 405 Lunghezze in z (mm): 843, 1475 Nr. chip: 2464, 3136, 7840, 9016 Material thickness: 0.3 % X 0 V. Manzari Material thickness: 0.8 % X 0 13

14 Strati esterni Pixel chip Modulo Half-Stave FPC Cold Plate Stave Strati interni Prototipo meccanico dell insieme dei tre semi-strati interni del nuovo ITS V. Manzari 14

15 Confronto fra le prestazioni della nuova versione di ITS rispetto all attuale, simulate Monte Carlo per pioni carichi, sia in configurazione ITS stand-alone che ITS + TPC Stand-alone ITS + TPC 15

16 Stand-alone ITS + TPC Tracciamento π ± Tracciamento π ± Stand-alone ITS + TPC 16

17 field cage readout chamber MWPC Endplates housing MWPC HV electrode (10 kv) Inner and Outer Containment Vessels (150 mm, CO 2 ) TPC attuale < r < 2466 mm - drii length mm - drii gas Ne, CO 2, N 2 (90/10/5) - gas volume 95 m readout pads 510 cm - Principale rivelatore/tracciatore di prodotti carichi in ALICE - Ottimizzato per misure di alta precisione in impulso e in de/dx con le alte densità di tracce, tipiche delle interazioni Pb-Pb alle energie di LHC 17

18 Dopo ITS, ridisegnata ex novo, e MFT, totalmente nuovo, TPC è il rivelatore di ALICE che prevede l intervento hardware più profondo di upgrade Caratteristiche/Limitazioni attuali: - Tempo max deriva elettroni, miscela Ne-CO 2 (90-10) 100 µs - Tempo max deriva ioni, da regione amplificazione a gating grid 180 µs - Gating grid deve restare esclusa per 180 µs dopo completa deriva elettroni, più ulteriori 100 µs per evitare pile-up - Da ciò un primo limite a 3.5 khz per la massima frequenza di readout dell attuale TPC - Ulteriore limite fondamentale viene da elettronica di readout che sostiene frequenza massima di 520 Hz per eventi minimum-bias 18

19 Utilizzo efficiente TPC a frequenze di 50 khz per interazioni Pb-Pb, richiede di superare limiti imposti da gating grid, e implementare readout continuo - Sostituzione attuali Camere Proporzionali Multifili (MWPC) con rivelatori Gas Electron Multiplier (GEM) che permettono d escludere il contributo degli ioni senza ricorrere a gate, sostenendo nel contempo alti rate - L elettronica di front-end sarà sostituita per adattarla al segnale di opposta polarità delle GEM, e per implementare un readout continuo - L involucro esistente e la gran parte dei servizi dell attuale TPC saranno riutilizzati, dopo una adeguata manutenzione 19

20 Upgrade deve garantire mantenimento attuali ottime prestazioni di tracciamento, risoluzione in impulso e PID Risoluzione in impulso vs 1/p T. Quadrati vuoti à sola TPC; quadrati pieni track fits inclusi i vertici; cerchi à fit combinato TPC + ITS Uso GEM garantirà mantenimento ottima risoluzione attuale in termini di de/dx. Per eventi con molteplicità non troppo elevata essa è 5% 20

21 Muon Forward Tracker Copre quasi la completa accettanza di Muon Spectrometer Raccordo fra cluster in MFT e tracce nel Muon Spectrometer è discriminare fra µ pronti e µ da vertici secondari, oltre a migliorare risoluzione in massa invariante 5 piani di MAPS, come per ITS pixel µm 2 21

22 Altri Upgrade - Upgrade elettronica readout del TOF: MRPC del TOF reggono agevolmente i rate di readout previsti (50 khz, Pb-Pb); si interverrà su elettronica di readout per accrescerne le prestazioni in termini di velocità - Come per TOF anche l elettronica di readout di altri rivelatori sarà modificata o sostituita per ottimizzarla in funzione dei maggiori rate d acquisizione previsti: TRD, Muon Spectrometer (nel Muon Spectrometer saranno sostituite l elettronica di Front End degli RPC del Trigger, e anche del Tracciatore) - Per gli ZDC, posti a m da I.P., il rate massimo readout ora sostenibile è 8 khz: anche per questi rivelatori è previsto adeguamento (modalità sono ancora in fase di studio) 22

23 Prossime tappe per upgrade ALICE à incontri LHCC Questa settimana : - ITS upgrade status - TPC upgrade status - High Rate Electronics upgrade status - MFT LOI addendum Martedì 6 dicembre : - ITS à TDR - TPC à TDR - High Rate Electronics upgrade à TDR - TDR à passo fondamentale che non congela la situazione, ma determina una stabilizzazione del quadro e dei progetti, che possono comunque ancora essere perfezionati 23

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