gigi.rolandi.at.sns.it Ischia 5 Ottobre 2009 Le Tecniche innovative di rivelazione di particelle negli esperimenti ad LHC

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1 gigi.rolandi.at.sns.it Ischia 5 Ottobre 2009 Le Tecniche innovative di rivelazione di particelle negli esperimenti ad LHC

2 Perche la sperimentazione ad LHC e speciale? LHC e una macchina di scoperta, ma i fenomeni NUOVI, sono anche RARI Massimizzare le interazioni (Luminosita ) I fasci si scontrano ogni 25 miliardesimi di secondo 2

3 Perche la sperimentazione ad LHC e speciale? I fenomeni NOTI, sono molto piu FREQUENTI ed affollano ingolfano ed IRRADIANO il rivelatore 3

4 Perche la sperimentazione ad LHC e speciale? Come disegnare un rivelatore che: raccoglie tutti i dati in meno di 25 milardesimi di secondo? puo gestire piu di una interazione per collisione dei fasci? resiste a livelli di radiazione pari a neutroni per cm 2? 4

5 Frequenza di eventi e selezione ad LHC Collision rate Event Rates: ~10 9 Hz Event Selection: ~1/10 13 S. Cittolin CMS/PH-CMD 5 5

6 ONLINE SELECTION La selezione online di un evento ogni , per permettere la scrittura su nastro o a ~ 100 Hz richiede una tecnologia estremamente innovativa. capacita di trasmettere dati a parecchi GigaBite/Sec utilizzare efficientemente le risorse di calcolo parallelo di migliaia di PC per poter analizzare in linea gli eventi in tempi dell ordine di frazione di secondo. Sergio Cittolin -- 6

7 Tempi di Costruzione 7

8 Evento simulato di produzione del bosone di Higgs Circa 1000 particelle a basso impulso (piccolo raggio di curvatura) sono prodotte contemporaneamente alle quattro particelle ad alto momento dal decadimento di un bosone di Higgs. Vista perpendicolare ai fasci le particelle sono curvate dal campo magnetico 8 solenoidale

9 Danno da radiazione A causa dell elevato rate di produzione di particelle la regione di interazione di LHC e estremamente radioattiva e raggunge in 10 anni di operazione livelli di qualche Megarad. I rivelatori devono essere in grado di funzionare in queste condizioni. 9

10 Caratteristiche generali di un rivelatore ad LHC Altissima granularità per ridurre la probabilità che una particella di pileup si sovrapponga nello stesso elemento di rivelazione con un oggetto interessante (come un prodotto del decadimento di un bosone di Higgs) Tipicamente occupancy << 1%. Grande numero di canali di elettronica Risposta in tempo molto veloce (10-20 ns) per non integrare più di un bunch crossing Elettronica estremamente performante Grandi dimensioni per misurare con precisione la curvatura in campo magnetico (impulso) di particelle di impulso sino a qualche TeV ed anche alto campo magnetico e elevata risoluzione Rivelatori radiation resistant vicino alla zona di interazione capaci di funzionamento in condizioni di radiazione estrema 10

11 Elettronica rad-hard e contratto IBM E stato possibile avere accesso alla tecnologia per costruire ASICs grazie ad un contratto framework con l IBM. Le nostre produzioni sono piccolissime rispetto a quelle dell industria (eg telefonini). Le caratteristiche rad-hard sono state ottenute grazie a delle proprieta intrinsiche della tecnologia CMOS cui sono state aggiunte precauzioni con delle librerie sviluppate dalla nostra comunita. 11

12 Optolinks Conversione Carica Luce --- Trasporto su fibra : molto sottile e senza perdite, riconversione Luce Carica e quindi misura. Molto usata su LHC, ma ancora con debolezze. Anche se usata molto nel modo delle telecomunicazioni 12

13 Sistemi Ottici per allineamento La precisione spaziale richiesta ai sistemi di tracciatura e di micrometri. La stabilita a questi livelli e una sfida difficilissima. La posizione delle strutture viene monitorata con raggi laser ed altri strumenti geometrici in tempo reale. 13

14 Grandi dimensioni Installazione del TOF di ALICE Canali di lettura in 18 supermoduli 14

15 Le grandi dimensioni Alta granularita implica grande numero di elementi sensibili. Una volta sviluppato il prototipo bisogna collaborare con l industria per produzioni che sono talvolta piccole per lo standard industriale e grandi per quello che puo essere fatto in casa. Due casi a me ben noti: i cristalli del Calorimetro Elettronico di CMS ed i sensori del tracker di CMS. 15

16 PWO R&D Produzione Cristalli R&D Preproduzione Produzione In questo caso non esiste(va) un produttore

17 PWO production Non è stata una passeggiata! Non esistevano fabbriche di cristalli con grande capacità produttiva e standard di qualità necessari! Riconversione industria militare russa per scopi pacifici con soldi della Comunità Europea: forte investimento nelle strutture e nei forni di crescita Stop della produzione nel 2003 per problemi economici, 155 forni in produzione continua, prezzo finale per cc quintuplicato!

18 Crystal quality insurance INFN/ENEA Rome Controlli automatici: Forma e dimensioni Trasmissione (radiation hardness) Produzione di luce ed uniformita CERN

19 Costruzione del Calorimetro Assembly and test of modules in RC proceed smoothly CERN Lab.27 EP-CMA & Casaccia

20 I Sensori a Silicio del tracker di CMS Necessita sensori piccola industria dedicata Sensori/mese Grandi produttori di ASICS per telecom > Sensori/mese Parte un R&D con un industria Italiana che produce alla fine sensori della qualita giusta su linee di test (300/sensori al mese). Differenza tra produzione di ASIC e Sensori per rivelatori: la qualita su tutta la superficie. 20

21 Dopo un anno di R&D in produzione 1h30, 40% RH 30 min, 40% RH 21

22 Confirmation by ST 2 sensors were send to ST together with corresponding pictures of 'dots and stains' View by optical microscope View by FIB microscope (PLAN view) 22

23 Vienna Mulhouse, Lyon, Strasbourg Brussels UVB, Brussels ULB, Antwerpen, Louvain, Mons Aachen I, Aachen III, Karlsruhe ETH Zurich Bari, Catania, Firenze, Padova, Perugia, Pisa, Torino Helsinki, Oulu CERN Fermilab, Kansas, Purdue, Rochester, Northwestern, UCSB Brunel, Imperial College, Rutherford Hamburg 4/04/03

24 Frames Brussels Si sensors factories Hybrid Strasbourg pitch adapter Brussels hybrid CF carrier CERN sensor s QAC Pisa Perugia Wien Karlsruhe Louvain Strasbourg module assembly FNAL Perugia Bari Wien Lyon Brussels bonding & testing FNAL Padova Pisa Torino Bari Firenze Wien Zurich Strasbourg Karlsruhe Aachen integration of modules into mechanics ROD INTEGRATION FNAL TIB-TID INTEGRATION Pisa Louvain Brussels PETALS INTEGRATION Aachen Lyon Strasbourg Karlsruhe sub-detector assembly Tracker assembly TOB assembly TIB-ID assembly TK ASSEMBLY CERN TEC assembly TEC assembly CERN Pisa Aachen Karlsr. --> Lyon A. Cattai Hamburg April 4 th,

25 CMS tracker modules constructions 4 anni di preparazione ed alla fine i moduli sono stati prodotti in meno di un anno. - Applicare le stesse metodologie in tutti i centri di costruzione Controllo di Qualita ad ogni passo Flessibilita nell utilizzo delle risorse 25

26 Altro aspetto nuovo : managemnet I rivelatori LHC sono piu complessi da un punto di vista gestionale di ogni altro rivelatore costruito prima Collaboratori >40 Agenzie Finanziatrici >150 Istituti ~ 10 Sottorivelatori Abbiamo i manager giusti per queste imprese : che formazione hanno avuto? 26

27 Conclusioni I rivelatori LHC hanno richiesto piu di dieci anni per la loro costruzione. Sono strumenti scientifici di una complessita mai vista in precedenza. Le tecniche adoperate sono sicuramente innovative in termini di elettronica veloce, di resistenza alla radiazione, di computing. Oltre alla novita tecnologica: la costruzione dei grandi rivelatori e stata possibile solo grazie alla: messa in opera di strutture collaborative di grande complessita gestionale tra gli istituti della collaborazione un contatto stretto con l industria, in alcuni casi complesso data la particolarita delle commesse. 27