Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag...

21
Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul

Transcript of Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag...

Page 1: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Atlas / LHC upgrade

Ambities voor upgrades in Atlas

Discussie voor het Stafoverleg

Stan, Donderdag 12 mei.

Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul

Page 2: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 2

Mankracht komende jaren

De installatie van hardware in Atlas bereikt het komende jaar zijn hoogtepunt

Muon kamers geinstalleerd in Atlas rond 2006Q1 Trigger/DAQ hardware geinstalleerd in Atlas rond 2006Q2 SCT endcap geinstalleerd in Atlas rond 2006Q2

Het experiment begint te draaien in 2007 Onze verantwoordelijkheid tav de hardware projecten houden niet

op bij de installatie Natuurlijk, druk op meeste technisch personeel neemt na installatie af Maar aanzienlijke onzekerheden in ‘babysitting’ van alle projecten ‘Running’ environment in Atlas echt anders dan stand-alone

performance checks

Essentieel om expertise en mankracht beschikbaar te houden gedurende de gehele life-time van Atlas.

Page 3: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 3

Upgrades in LHC / Atlas

Aymar in Nieuw Jaar 2005 presentatie: Primary goal would be:

“to develop detailed technical solutions for a future LHC luminosity upgrade to be commissioned around 2012-2015”

“definition of new trackers for the upgrade of the Atlas and CMS detectors, to withstand a factor of 10 higher luminosity”

Activiteit voor upgrades binnen Atlas High Luminosity Upgrade LHC steering group

Solid amount of work done – convenor S. Trapprogge Physics potential voor de luminosity upgrade Workshop gehouden in Februari 13-14 ; volgende in 18-20 Juli. http://www.nikhef.nl/~stanb/download/UpgradeReport2005-002.pdf CMS is ons voor – houden ook workshops over dit thema

Page 4: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 4

LHC upgrade scenarios

Always assuming collisions in two experiments

Phase 0: stretch machine to its limits Increase luminosity by factor ~2 beyond design values Comes for free

Phase 1: Increase the luminosity by order of magnitude Upgrade of the interaction region Upgrade various sub-detectors: the Atlas case

Phase 2: Increase cm energy by factor of 2 Including the luminosity also factor of ~2.

Includes upgrading the SPS with superconducting magnets to be able to inject at 1 TeV

1200 new dipoles with 15 T field (including some safety) Preferred solution from “physics potential” point of view Implies building complete new machine, very very many euros…

SLHC

Page 5: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 5

The Super-LHC: physics potential

A factor 10 increase in luminosity of the LHC : what physics to be gained?

Discoveries, rare decays Extend discovery reach Increase mass range reach 20-30%

Increase in precision Higgs self couplings

Z’ and extra dimensions

Page 6: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 6

Physics motivation

Study from 2002 showed:

Page 7: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 7

SLHC parameter options

Assumed 1035 cm-2s-1 at SLHC Corresponding to ~1000 fb integrated/year Total physics samples at LHC around ~3000 fb/experiment

Preference from experiments to keep 25 ns separation Factor 10 in luminosity not straightforward...

Page 8: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 8

General problems related to SLHC

Increased background levels from activation

TAS collimator Affecting muon system

FCAL (neutrons) Affecting inner detector

Beam pipe Linear radiator: fluence decreasing

with 1/r Affecting muon system Making human access problematic Solution: make future beam pipe

from beryllium

Increased radiation levels during running USA15 no longer safe during running of SLHC

Page 9: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 9

Tracking ideas High background fluence after 2500 fb-1

No gaseous detector in tracking region

TRT For R < 20 cm no long lasting solution yet (like is now for the

B-physics layer)

1

10

100

0 20 40 60 80 100

Fluence for 2,500 fb-1

Radius [cm]

Mid-RadiusShort Strips

InnerPixel

Outer-Radius Like SCT

Flu

en

ce [

10

14

cm-2]

Page 10: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 10

Model for Simulations

Used to estimate occupancies only

Page 11: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 11

Technology R Now R SLHC Comments

Pixels 5 5 50*300μ

9 9 50*400μ

12 17 -”-

Strips 30 24 Pixel or short strips

37 35 Short u-v strips (3-6 cm)

44 48

51 62

TRT 55-105 75 Long strips (6-12 cm)

89 One projection ?

105

Page 12: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 12

Pile-up at Super LHC

~ 10000 particles in || 3.2 mostly low pT tracks

Nch(|y|0.5)

Page 13: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 13

300

500

1070

Long barrels option

May be interesting due to the significant increase of the LHC beam interaction region (5.6 cm => ~50 cm !)

Page 14: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 14

300

500

1070

tapered barrels option

Page 15: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 15

RD50

RD50: - Radiation hard semiconductor devices for very high luminosity colliders

Workshop voor ontwikkeling solid state detectors Nikhef heeft status als ‘observer’ – Fred is hier bij betrokken http://rd50.web.cern.ch/rd50/

Page 16: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 16

Gossip – Nikhef R&D

Can Gossip be a realistic alternative for ID/pixel area at SLHC? Gossip:

Generate charge signal in gas instead of Si (e-/ions versus e-/holes) Amplify # electrons in gas (electron avalanche versus FET preamps)

Then: No radiation damage in depletion layer or pixel preamp FETs No power dissipation of preamps No detector bias current

CMOS pixel array

Micromegas (InGrid)

Drift gap: 1 mmMax drift time: 16 ns

MIP

CMOS pixel chip

Cathode foil

RO chips available from CMS

Demo working in terms of months?

Possible showstoppers

Aging HV breakdown

Detector R&D group

Page 17: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 17

Muon systeem - MDT

Upgrade issues No major redesign of muon spectrometer expected

Possible detoriation of position resolution from rate effects Wait until experience gained from running LHC Trigger rates seem to be acceptable even at 1035

Estimated hit rate at L=1034 cm-2s-1

Page 18: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 18

Muon system

New ideas for the MDT Read-out on two sides of the MDT

Nikhef twin-tube project is nice start Twin tubes being prototyped in cosmic ray

setup now Promising results – paper being written Option for SLHC? Problem of occupancy.

Light weighted, new MDT chambers inside muon spectrometer

Strategic position for hermiticity, occupancy and efficiencies?

Extra m2 in forward region? Shielding

Dedicated shielding for muon spectrometer

Expected hit rate ~100-1000 Hz cm-2

Degradation due to space charge

Page 19: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 19

TDAQ

Trigger and DAQ system depends crucially on parameters of upgraded detectors

LVL1 trigger Tight coupling to bunch crossing period Consider operation at multiple frequencies

HLV/DAQ Likely to have higher bandwidth demands

TDAQ will profit from further technology advances Integrated circuits Commodity computing and network

E.g. upgrade MROD (NIKHEF responsibility) With increased rates can read-out less MDT chambers/MROD

Install extra MROD R&D on faster MROD Benefit new technologies? More copies of current model?

Page 20: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 20

Conclusions

We are committed to our hardware projects throughout the lifetime of Atlas

Atlas upgrades still in preliminary phase SLHC scenario not yet known No clear target for upgrade studies Certainly no realistic time schedule: 2012 realistic? Or 2015? later?

First Atlas upgrade is pixel b-layer (~2012) Also without LHC upgrade

When is the right time to step into big upgrade projects?

Page 21: Atlas / LHC upgrade Ambities voor upgrades in Atlas Discussie voor het Stafoverleg Stan, Donderdag 12 mei. Input van Harry, Els, Fred, Gerjan, Jos, Paul.

Stafoverleg 12 mei 2005

P 21

Conclusions

Required modifications for operation of SLHC (1035 cm-2s-1) Major re-design of the ID

TRT replaced by SCT type SCT long strips replaced by short strips Pixel tracker need new technologies Gossip as a very interesting Nikhef input?

Limited upgrade of Calorimeters Muon system maybe reasonable well

Redesign and rebuilding MDT Additional MROD Shielding

Lot of engineering work of materials, shielding, global services Most straightforward but require money Access for repair is getting really hard robotica?