CSN 1 review RDFA F Bedeschi INFNPisa Dicembre

CSN 1 review RD_FA F. Bedeschi INFN-Pisa Dicembre 2017 v IDEA basic concepts v November workshop on Cep. C v Meeting with W. Riegler a Bologna v Responses to referee questions Pisa, December 2017 1

IDEA detector v Baseline detector per Cep. C ereditato da ILC Ø Simulazione gia’pronta Ø Esteso R&D gia’completato v Peccato che non sia il detector ideale per Cep. C! v IDEA (= Int. Det. for Electron-positron Acc. ) cerca di realizzare un detector ottimizzato per Cep. C (ed FCC-ee) Pisa, December 2017 2 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Luminosity issues v Physics reach driven by luminosity Ø Success driven by luminosity! Ø Luminosity relies on complex/sensitive magnetic optics screening Compensating solenoid Ø Large detector solenoid fields affect luminosity solenoid Luminosity counter FF quads ● ● ● CEPC latest ● 100 x. LEP 2 Pisa, December 2017 3 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Detector solenoid v Choose safe 2 T field (same as FCC-ee) – Rin = 2 m Ø Can be made very thin ~30 cm total = 0. 74 X 0 (0. 16 l) at q = 90º Calorimeter can be located outside coil Ø Small yoke thickness 50 -100 cm Fe Pisa, December 2017 4 Courtesy of H. ten Kate et al. Scales with B R 2 cost reduction over large coil F. Bedeschi, INFN-Pisa

Tracking issues v Timing Ø ILC: 1 ms pulse trains @ 5 Hz Ø Cep. C: 1 BX 5 -20 ns (Z) , ~1 ms (H) Ø No large time gap: Ion backflow issues TPC No power pulsing VTX Fast tracker, calorimeter, muon system trigger/DAQ, Bck v Limited max radius & B field Ø Many measurements at high resolution Gas is lighter (and cheaper) than rocks (ie. Si) Pisa, December 2017 5 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Other issues v Extreme statistical resolution on Z pole Ø Acceptance systematics control is critical Ø Pre-shower with high precision and stability allows mm level acceptance definition for charged particles and g v p 0 important in tau and HF physics No p 0: 1 p 0 : 2 -3 p 0: 35% t l (e, m) nn + 20% t (1, 3)p± ln 28% t (1, 3)p±p 0 ln 10% t p± (2, 3) p 0 ln Ø Pre-shower allows p 0 identification near charged hadrons Pisa, December 2017 6 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Detector layout v Beam pipe (R~1. 5 cm) v VTX: 4 -7 MAPS layers v DCH: 4 m long, R 40 -200 cm v SC Coil : 2 T, R~2 m v Preshower: 1 -2 X 0 v DR calorimeter: 2 m/8 lint v Yoke + muon chamber Pisa, December 2017 7 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Vertex detector v Build on ALICE ITS technology Ø 30 x 30 mm MAPS Ø 5 mm spatial resolution Also after irradiation Ø %X 0 0. 3 -1. 0% (in-out) Ø Power: 41 -27 m. W/cm 2 (in-out) Ø Radiation hard Ø >100 k. Hz readout Pisa, December 2017 8 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Tracker v Drift Chamber: fast, good resolution/d. E/dx w/ cluster count Ø Ultralight chamber (<1% X 0) – gas: He 90% - i. C 4 H 10 10% Ø 4 m long, drift length ~1 cm, drift time ~150 ns, sxy < 100 mm Ø DCH only B=2 T L=2 m N = 112 Wire Cage q = 65⁰ Gas envelope Ø d. E/dx ~ 4% DCH+VTX+pre. Sh Ø d. N/dx ~ 2% F. E. electronics Dpt/pt ~ 0. 4 % @ 100 Ge. V Pisa, December 2017 9 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Calorimeter v Particle flow calorimeters are extremely expensive! v Similar (or better) performances with dual readout Ø EM and HAD in same calorimeter Ø High transverse granularity ILD: Fractional cost out of 400 M$ Pisa, December 2017 10 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Calorimeter Courtesy of DREAM/RD 52 v Copper dual readout calorimeter Ø Build on DREAM/RD 52 experience Ø Demonstrated EM resolution Ø Resolution extrapolated with GEANT 4 to full acceptance Pisa, December 2017 y r a in m i l e r P 11 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Calorimeter 50 Ge. V beam Hadrons Electrons Mu v Test S S+Q ta a d beam Q Pisa, December 2017 12 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Muons v Momentum measurement Ø Vertex+DCH: ~ 0. 4% @ 100 Ge. V v Better muon ID & muons in jets: Ø More filter behind calorimeter Iron yoke (~50 cm Fe) Ø with additional chambers m-RWELL low-cost technology already proven for low rate applications (CMS/SHi. P) top copper layer kapton Pisa, December 2017 HV kapton 13 r t F. Bedeschi, INFN-Pisa

Cep. C Workshop v Primo workshop internazionale su Cep. C v 258 partecipanti Ø …anche italiani Ø 6 talks v Italiani coinvolti nell’organizzazione v Importante IAC Ø Riunito subito dopo W. Pisa, December 2017 14 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Alcuni italiani v Al workshop … riscaldamento spento v A cena Pisa, December 2017 15 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Workshop Highlights v INFN propone IDEA per la seconda zona di collisione di Cep. C (lo stesso proposto per FCC-ee) v CDR uscira’ intorno ad Aprile 2018 Ø …. poi si discutera’ come procedere con l’R&D per il TDR v I cinesi si aprono al resto del mondo Ø Importanti contributi non-cinesi al CDR Ø Primo proto-Institutional Board meeting internazionale Ø Discussione guidata su futuri R&D congiunti Ø Forte stimolo a costruire collaborazioni internazionali Pisa, December 2017 16 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Eventi 2018 v Marzo: INFN/IHEP scuola di HEP a Torino v Maggio 9 -10: Incontro GE INFN/ IHEP a Roma v Maggio 24 -26: Workshop Cep. C su rivelatori a Roma v Maggio 27 -Giugno 2: Pisa meeting – In discussione: Ø Inclusione di alcuni conveners cinesi Ø Tavola rotonda su futuri acceleratori v Altre scadenze rilevanti per seconda meta’ 2018: Ø FCC (Physics) week e rilascio CDR per FCC (ee+hh) Ø Raccolta contributi per preparazione EU strategy Ø Prevista decisione giapponese su ILC Pisa, December 2017 17 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Inoltre v Forte interesse cinese per acceleratori Ø Neutron Spallation Source appena finita a Dongguan Ø ADR inizia costruzione a Huizhou Ø XFEL a Shangai inizia operazione ora – upgrade a 6 Ge. V seguira’ Implica nuovo laboratorio per produzione cavita’ e criomoduli a Pechino con assunzione di 500 fisici e ingegneri v Maggiore confidenza del management di IHEP sulla possibilita’ che Cep. C venga approvato v Il 2018 e’ l’anno in cui s’impostano le collaborazioni internazionali per i rivelatori di Cep. C Ø L’INFN per il momento c’e’ Ø Ci sono grandi opportunita’, ma vanno colte Pisa, December 2017 18 F. Bedeschi, INFN-Pisa

W. Riegler v Incontro molto produttivo a Bologna il 23 Novembre v Interesse per partecipazione INFN ad R&D su FCC-hh sui seguenti items: Ø m. Rwell per camere m ad alto rate Ø Silicon tracker per alti livelli di radiazione Ø Simulazione parametrica v Incoraggiato contributo al CDR Ø m. Rwell, simulazione HH gia’ quasi pronti v Incoraggiata partecipazione a workshops su R&D futuri Ø Kick-off workshop CERN Nov. 20, 2017 Pisa, December 2017 19 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 1) v Come RD_FA intende partecipare alla EU Strategy? Ø Intendiamo formare un panel incaricato di proporre un documento con partecipazione di teorici e sperimentali. Gia’ preavvertito Fulvio Piccinini per organizzare aiuto dei teorici Possibili contribute di simulazione ove individuate necessita’ Il documento deve uscire dalla CSN 1, quindi servira’ una discusisone in commissione. Meccanismi da definire. Pisa, December 2017 20 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 2) v In cosa si e’ impegnato a fare il gruppo italiano al workshop di Cep. C – anche a titolo personale? Ø Simulazioni congiunte per caratterizzazione di IDEA Ø Produzione e revisione di parti di testo per Cep. C: Muon system (Giacomelli), dual readout calorimetry (Ferrari), drift chamber (Grancagnolo), IDEA detector (Bedeschi), vertex detector (Caccia) Ø Partecipazione cinese al Pisa meeting: converners/tavola rotonda Ø Scuola+workshop a Torino su future macchine: HL/HE-LHC, Cep. C/FCC, ILC/CLIC Ø Workshop a Roma a Maggio su R&D futuri per Cep. C Pisa, December 2017 21 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 3) v Qual e’ la collaborazione internazionale per IDEA? Ø Troppo presto per parlare di una collaborazione internazionale IDEA e’ un concetto di detector ancora in evoluzione Proto-collaborazione per estensione del lavoro su singoli detectors Ø Collaborazioni si estenderanno nel corso del 2018 con la concretizzazione dei progetti di R&D per FCC e Cep. C Workshops al CERN su futuri R&D per FCC Workshop a Roma su futuri R&D per Cep. C Pisa, December 2017 22 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 4. a) v Volete fare un test beam di IDEA nel 2018: per ottenere quali info? Ø Risposta del calorimetro con Si. PM da 10 mm ed elettronica per elaborare informazioni Si. PM riducendo il numero di canali di lettura (si inizia con test di ASIC gia’esistente) Ø Risposta del calorimetro con pre-shower davanti in funzione dello spessore Simulazione dell’effetto del magnete Ø Risposta del calorimetro con alternanza di fibre corte e lunghe Test modulo speciale Ø Separazione pi/K della camera drift con cluster counting Ø Test camere mu a u. Rwell Pisa, December 2017 23 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 4. b) v Cosa vi manca? Modulo speciale con fibre corte/lunghe va preparato modificando un modulo esistente Matrice Si. PM 10 um ed elettronica associata vanno comprati e preparati Manca un po’ di elettronica di DAQ e trigger come da richieste per CSN 1 Piccolo pre-shower con camere MPGD va assemblato (camere ed elettronica esistono gia’) Prototipo Drift Chamber ed elettronica disponibili da test beam a PSI Prototipi camere u. Rwell disponibili con elettronica. Pisa, December 2017 24 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 5) v Dual Read Out: vorremmo vedere MC (eventualmente anche Dati se disponibili) che confrontino varie tipologie/versioni di DR in relazione anche all'ipotesi di segmentazione longitudinale Ø Simulazione in corso e non ancora disponibile Ø Test beam importante per verificare affidabilita’ calcoli Non ovvio che dati presi in passato da RD 52 possano essere utilizzabili in questo contesto Pisa, December 2017 25 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 6) v DR: R&D segmentazione longitudinale? Quale disegno proponete per IDEA? Ø L’ottimizzaione della segmentazione e’ in corso di studio. Al momento valutiamo 3 opzioni: Niente segmentazione longitudinale e preshower Segmentazione con mix fibre lunghe e corte Segmentazione con due calorimetri DR identici, ma di diversa profondita’ Il calorimetro EM, piu’ corto, potrebbe stare anche all’interno del magnete. Pisa, December 2017 26 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Q&A: 7) v DR: sviluppo Si. PM 10 um perche’ non progetto CSN 5? Ø I Si. PM da 10 mm esistono gia’ e si possono comprare. Vogliamo verificare che siano adeguati per la lettura delle fibre scintillanti con efficienza e saturazione accettabili Ø Si vuole scegliere un ASIC di readout che permetta di sommare la risposta di gruppi di Si. PM elaborando informazioni sulla distribuzione della carica osservata all’interno di ogni gruppo Alcuni ASIC di questo tipo sono disponibili in commercio, ma non e’ chiaro fino a che punto siano adeguati al nostro scopo Ø In conclusione: si cerca di mettere insieme un sistema di lettura intelligente usando componenti esistenti. Questo puo’ portare a concludere che serve uno sviluppo originale. Solo allora si puo’ pensare di aprire un’attivita’ di CSN 5. Pisa, December 2017 27 F. Bedeschi, INFN-Pisa

Nota su ATTRACT v Condizioni necessarie: Ø Una possibile applicazione fuori da HEP Ø Uno o piu’ partners industriali v Camere m. Rwell si prestano ad application Ø Radiografia muonica con altri gruppi INFN che se ne occupano Da verificare Ø ELTOS ed altri partners industriali sono gia’ coinvolti Pisa, December 2017 28 F. Bedeschi, INFN-Pisa