Collider experiments Study of the new boson properties at the LHC – Calorimeter/tracker upgrade Study of the new boson properties at e + e - colliders.

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1 Collider experiments Study of the new boson properties at the LHC – Calorimeter/tracker upgrade Study of the new boson properties at e + e - colliders – Calorimetry R&D Not discussed today: – LHeC (electron-proton), muons colliders, b factories… – SUSY, extra dimensions… Only LPSC/LAPP R&D highlighted today! 1

2 Protons colliders 2 DateE cm (TeV) Integrated luminosity (fb -1 ) Instant. luminosity (cm -2.s -1 ) LHC2015- 2017 13-1475-1001.10 34 LHC2019- 2021 143502.10 34 « Phase 1 » approved LHC2023- 2030 1430005.10 34 « Phase 2 » not yet approved HE-LHC>203526-33New 16-20 T dipoles V-LHC??80New 80km circular tunnel (Jura-Saleve?) Cracow symposium : http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=182232

3 Study of the new boson properties at the LHC (2015-2022) Mass : δm H ≈ 130MeV. Width too small to be measured directly. Spin/CP : possible in channels H  ZZ /γγ / bb. Ratio of couplings constants to fermions/bosons can be measured. 3 ATLAS-CONF-2012-127 ATL-PHYS-PUB-2012-001

4 4 ATLAS detector: some challenges Liquid argon calorimeter (LAr) EM (accordion) : Pb / Ar Hadronic : Cu / Ar Forward : Cu – Tg/Ar Muons spectrometer 1 + 2 toroidal magnets Chambers (CSC-MDT- RPC-TGC) Tracker Si pixels + Si microstrips Transition radiation detector Solenoid magnet 2T Tile hadronic calorimeter Iron - scintillators

5 5 Triggering on electromagnetic objects (electron/  ) at high luminosity The trigger is the key to reduce rate from 40MHz to O(100) Hz, keeping only interesting events: – Jet events to be rejected (efficient EM identification) 20kHz dedicated to EM objects: Sums of 4 layers along projective towers of size δηxδφ=0.1x0.1. Veto on hadronic deposit behind the fired EM tower. 2x10 34 cm -2 s -1

6 Triggering on “Higgs” events 6 WW trigger at 8 TeV Leading electron : 25GeV Subleading electron : 15GeV Trigger adaptations needed to keep reasonable production rate: – Also true for vector boson physics (TGC, WW scattering, calibration…)… ZZ trigger at 8 TeV Leading electron : 20GeV Subleading electron : 15GeV

7 Improvement of electromagnetic trigger Trigger towers replaced by super cells: – Information by layer. – Granularity improved by a factor 4 in 1 st et 2 nd layers, where is confined the electromagnetic shower. More accurate hadronic leakage measurement. New trigger system with : – More channels – Digitized signals allowing clever processing. 2x10 34 cm -2 s -1

8 LAr calorimetry : an ADC for the new trigger board Drastic specifications : – High frequency (40MS/s) and low latency (<70ns). – Large dynamic range (12 bits). – Radiation hardness and low consumption (O(10 mw)/channel). Development by LPSC micro electronic team of a chip dedicated: – SAR architecture (Successive Approximation Register) : low latency (25ns) by design. – IBM 130nm technology (approved by CERN) – According to simulation: very low power consumption (10-30mW / canal). Still to come: – New prototype production (11/2012) – Performance test (Winter 2013) – Final prototype production : 4 channels, LVDS output, reference voltage generation… (Summer 2013) 8

9 9 LAr calorimetry : signal treatment in back end electronics Backend electronics responsible of treating data flow from ADC: – Online computation of energy, peaking time by optimal filter. – First post processing for new L1 treatment. Long time implication of LAPP in main back end electronics replacement (ROD - scheduled in 2022): – Choice of ATCA standard (Advanced Telecom Computing Architecture) compliant with our specs. – Production of a IPMI control mezzanine card (also adopted by LHCb) – « ROD evaluator » board being produced to test high speed transfers (input and output) Plans to be part of 2014 trigger demonstrator in situ to validate the new system.

10 Study of the new boson properties at the LHC (2023-2030) Couplings ratio measured with an accuracy improved by a factor 1.5-4 (depending on channels) Higgs auto coupling study. 10 Promising channels at the LHC: gg  HH  bbγγ (3  ), HH  bb  Good sensitivity at 125GeV Precision on HHH < 30% (3000fb -1 ) ATL-PHYS-PUB-2012-001 Englert et al : arxiv 1206.5001

11 2023-2030 : detector upgrades Complete calorimetry front end/backend readout electronic to be replaced: – Ageing (20 years), radiation doses cumulated over 10 years of collisions. – Mandatory to cope with increased luminosity conditions. Complete tracker replacement: – Same reasons as of calorimetry. – « Pixel alpine stave » : promising optimisation in term of material in front of calorimeter and of numbers of silicon modules (price reduction!). Very challenging: mechanical structure, cooling, track reconstruction… – Numerous developments related to services: new patch panel concept (optimized grouping of power sources), efficient distribution of cooling fluid (titanium structure, compatible with bi-phasic CO2 cooling)… 11

12 e + e - colliders Contribution to CLIC R&D (CTF3) : acquisition and beam diagnostic. Stabilisation of subnanometric beams (mandatory to achieve high luminosity): – Detailed survey to contribute to the choice of a site (SuperB). – Production of active and passive isolation/damping devices. 12 Cracow symposium : http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=182232 http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=182232 Janot et al (LEP3) : arxiv 1208.1662 E cm (GeV) Integrated luminosity(fb -1 ) Inst. luminosity (cm -2.s -1 ) ILC250 0.75.10 34 ILC1000 4.9.10 34 CLIC500600 (400 at peak)1.3.10 34 CLIC30002400 (600 at peak)5.9.10 34 LEP324050010 34 (former LEP) LHC tunnel TLEP350??6.5. 10 33 New 80km circular tunnel (Jura-Saleve?)

13 Higgs-strahlung ( α 1/s) Study of the new boson properties at the e + e - colliders 13 Higgs-strahlung: – discovery in all modes (including invisible) by considering recoil mass (Z 0 products). – Absolute measurement of branching ratios (including b and c). – Direct accurate mass measurement (70MeV at √s≈ 500GeV / 40MeV with Z had ) WW fusion – Measurement of Γ(H → WW*), hence boson width directly derived from Br (H → WW*) measurement. Similar cross section at √s≈ 500GeV ILC Reference Design Report Brau et al : LC-REP-2012-071 WW fusion ( α log(s/M H 2 ))

14 An accurate calorimetry Several designs of electromagnetic calorimeters: – LPSC commitment in Si/Tg option with almost 10M channels: past beam tests, mechanical design of the endcap, services. Hadronic calorimetry also crucial: – Efficient heavy flavour tagging and ability to identify hadronic decays of Z 0 (40MeV precision on M H ): Jet energy scale resolution of the order of Z 0 natural width: – Option 1: “Dual readout” : powerful compensation technique based on measurements of lights (Cerenkov + scintillation) – Option 2: “Particle flow” : very high granularity to allow track-clusters matching. 14

15 Sampling hadronic calorimetry Iron/Tg as passive material. Micromegas envisaged as one option for active material: – High granularity : cell typical size of 1cm 2. Semi digital readout (simple counting). – Narrow avalanches, fast collection, moderate gas gains (no space charge effect). 1m 2 prototype in beam tests in 2011: – 2% dead area, ~1‰ noisy channels. – Readout by dedicated MicroRoc chip (64 channels – very low noise). – Several performance measurements: noise level, MIP response (multiplicity, efficiency), hadron shower response… Promising option to be confirmed. 15

16 Conclusion Precise measurement of new boson properties will require new/upgraded accelerators and new/(largely!) upgraded detectors. It took 15 years to design, optimize and build ATLAS. – If an e + e - collider is built, building its detector would not be shorter. – If LHC phase 2 is approved, ATLAS would need to be largely upgraded. We have to start working on this now: it is the price of our future achievements. 16

17 BACKUP 17

18 18 Planning LHC Programme approuvé par CERN Publication par ATLAS d’une Letter of Intent en mars 2012 Technical Design Report prévu pour 2013 Publication par ATLAS d’une Letter of Intent prévue pour 2013

19 19 Also interesting for H  γγ - 2x10 34 cm -2 s -1

20 Propriétés fondamentales du boson de Higgs (MS) A l’issue de la phase I, possibilité de mesurer : – Masse : δm H /m H ≈ 0.1% à basse masse (1% à haute masse). – Largeur totale mesurable uniquement à haute masse (>600-700GeV) : sous certaines hypothèses théoriques à basse masse. – Spin/CP : possible dans canaux H  ZZ / H  γγ / H  bb – Couplages aux fermions et bosons mesurables (rapport des couplages à basse masse). 20

21 Recherche du boson de Higgs Hiver 2012: 3 zones d’exclusion (95% CL) complémentant limite du LEP: – [110 GeV;117.5] GeV + [118.5;122.5] GeV + [127;559] GeV (ATLAS) Léger excès autour de 125GeV observé par ATLAS / CMS (γγ, ZZ, WW) Prise de données 2012 devrait apporter une réponse définitive 21

22 Physique électrofaible Masses du boson W et du quark top mesurées avec une précision équivalente à celle du TeVatron lors de la phase 0: – Boson W : 10MeV (TeVatron : 16 MeV) / Quark top : 1 GeV Mesure des couplage trilinéaires/quadratiques de jauge: – Contraints par invariance de jauge. – Termes d’interaction effective avec facteurs de formes pour régulariser l’unitarité (échelle de nouvelle physique  ): Manifestation possible de nouvelle physique (boucles particules exotiques) ou d’indices sur la brisure de symétrie (absence boson de Higgs). Possibilité de sonder les contributions radiatives du modèle standard lors de la phase II ( /g 1 Z : ≈0.001 ) 22 14 TeV 100/1000 fb -1 28 TeV 100/1000 fb -1 III TGC –  = 10TeV

23 Diffusion de bosons de jauge : V L V L  V L V L Intérêts multiples: – En absence d’un boson de Higgs (ou M H >1TeV) : violation de la contrainte d’unitarité: nécessité d’apparition de nouveaux phénomènes pour régulariser le comportement de la section efficace. 23 II – Existence d’un boson de Higgs léger : compréhension de la dynamique sous jacente à brisure spontanée de symétrie (structure composite du Higgs?). LuminositéMM gg 75pb -1 1 TeV4 2.5ab -1 2 TeV6

24 De la nécessité d’améliorations (remplacements!) Electronique frontale des calorimètres: – Cartes d’acquisition auront alors plus de 15 ans. – Qualification pour « seulement » 700 fb-1 (3 ab-1 prévus lors de la phase II) Détecteur interne de traces: – Détecteurs actuels au silicium non résistants aux doses de la phase II. – Inefficacité non négligeables aux occupations prévues (plus de 120 collisions par croisement de faisceau). 24 II

25 Un bref aperçu Phase 0 (installation en 2013-2014 – LS1) Phase 1 (installation en 2018 – LS2) : Phase 2 (installation en 2022 – LS3): – Détecteur interne de traces: Remplacement de l’intégralité du détecteur par un détecteur tout silicium. – Calorimètre à argon liquide: remplacement intégral des électroniques frontale et déportée; éventuelle installation d’un nouveau calorimètre (en complément ou remplacement de l’ancien). – Calorimètre à tuiles: remplacement intégral des électroniques frontale et déportée. – Spectromètre à muons: Remplacement d’une large partie de l’électronique frontale. 25 II

26 Calorimétrie LAr : nouveau système de déclenchement 26 I Nouvelle carte de sommation : Préservation de la fine granularité couches 1 et 2. Nouveau fond de panier pour passage signaux Nouvelle carte: Numérisation signaux Restauration tours de déclenchement. Nouveau système de lecture/traitement du signal de déclenchement déporté.

27 Calorimétrie LAr : fonds de panier & carte LTDB 27 I Nouveaux fonds de panier pour permettre un routage de signaux démultipliés entre carte frontale de lecture (FEB) et cartes de déclenchement (nouvelle carte LTDB et ancienne TBB): – Problème non trivial eu égard à la densité des signaux à router. – Disponibilité des composants potentiellement rapidement problématique. Nouvelle carte LTDB: – Réception des 284 signaux analogiques des « super cellules » issus des FEB. – Numérisation des signaux des « super cellules », avant multiplexage et envoi par lien optique vers électronique déportée. – Reconstitution des granularité standard pour traitement par carte TBB. Contributions du LAL à la conception du système. Souhait de poursuivre jusqu’au démonstrateur et la production.

28 Calorimètre LAr : schéma de lecture phase I 28 Nouveau système de déclenchement phase I Cartes de lecture frontale (presque!) d’origine. Système de traitement déporté du signal d’origine. II

29 Calorimètre LAr : schéma de lecture envisagée pour la phase II 29 II Nouvelle carte frontale de lecture: Gamme dynamique 16 bits (inchangée) Lecture continue (40MHz) des données. Plus de pipeline! Nouveau système de traitement déporté du signal: Calcul d’énergie à une fréquence élevée (40MHz) Possible addition d’un niveau 0 de déclenchement.

30 Géométrie alternative pour un nouveau détecteur de pixels : l’echelle alpine Optimisation prometteuse en terme de: – Quantité de matière de matière traversée – Nombre de modules silicium installés. Avec cependant de nombreux défis: – Réalisation de la structure mécanique porteuse (rigidité, refroidissement…) – Intégration des services (alimentation, connectiques) et installation. – Reconstruction des traces 30 II

31 Optimisation des services Nouveau concept de tableau de connexion (Patch Panel 1) intégrant les connexions de toutes les échelles en un point unique et reorganisant les connexions par famille (puissance, haute tensions, contrôle). – Déclinaison spécifique au schéma d’échelles alpines. Distribution performante du fluide de refroidissement: – réalisation en titane avec quantité de matière optimisée; – tenue aux radiations; – compatibilité avec le refroidissement par CO2 bi-phasique. 31 II

32 Remplacement intégral du détecteur interne de traces Remplacement motivé par: – taux d’occupation à 5x10 34 cm -2 s -1 rédhibitoire pour détecteur à radiations de transition, et entrainant un temps mort élevé des détecteurs silicium (pixels+micropistes). – Dommages de l’électronique frontale dues au vieillissement et aux radiations accumulées. 32 II 5 couches micropistes de silicium. Détecteurs stéréo (court sur les 2 premières couches) 4 couches de pixels: 1 ere couche à 3.9cm Installation pendant arret longue durée (LS2) Possibilité de changer les 2 premières couches durant arrêt court. Dessin non figé!

33 Backup 33

34 HIGGS 2012 34

35 35

36 36

37 37

38 Higgs CP - Couplings https://indico.cern.ch/getFile.py/access?contribId=414&sessionId=299 &resId=0&materialId=slides&confId=6210 38

39 Higgs CP - Couplings https://indico.cern.ch/getFile.py/access?contribId=414&sessionId=299 &resId=0&materialId=slides&confId=6210 39

40 Higgs spin / CP https://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=187279 40 2d fit : mgg/cos theta

41 Higgs self couplings “Probing the Higgs self-coupling at hadron colliders using rare decays”, U. Baur (Buffalo), T. Plehn (CERN), D. Rainwater (DESY) 41

42 EM LVL1 trigger rates 42

43 MU LVL1 trigger rates 43

44 Event filter rates 44

45 Acceptance W vs Et threshold 45

46 46 Proposal for a trigger/readout architecture Addition of new level 0 trigger with a 3  s latency (100-500kHz) – Level 1 : 30  s latency (2.5  s now)? Delivery of level 0 trigger not yet fully decided: – Preferred option (1) : LAr read out driver (ROD). Stream of 100Gbps between FEB and ROD ! – Fall back option (2) : Front End Board (FEB) – Pipeline still needed. Replacement of the whole readout/trigger infrastructure : front end board, calibration board, tower builder board, readout board... – Staged (adiabatic) replacement Phase II