◊ Contexte de l’atelier ◊ Qu’est-ce que le Super-LHC? ◊ Objectifs de Physique ◊ Quel impact sur ATLAS? ◊ Organisation de la R&D dans ATLAS ◊ Premières.

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2 ◊ Contexte de l’atelier ◊ Qu’est-ce que le Super-LHC? ◊ Objectifs de Physique ◊ Quel impact sur ATLAS? ◊ Organisation de la R&D dans ATLAS ◊ Premières conclusions

3 ◊ Avènement du Super-LHC vers 2015  Modifications du détecteur ATLAS  Recherches et Développements (R&D) sur certaines parties  Une réflexion de la communauté française … d’autant plus justifiée que: La Collaboration ATLAS a déjà fixé un cadre La R&D doit commencer très tôt … pour être prêts à temps  Atelier consacré à la R&D sur ATLAS en vue du SLHC organisé par les laboratoires français d’ATLAS ◊ ATLAS au Super-LHC est considéré comme un nouveau projet potentiel au LPC … qui va nous mener jusqu’à 2020 environ  Il est légitime et important d’en informer les membres du LPC … et en particulier les Services Techniques (et pourquoi pas Administratifs) avant d’aller plus loin Contexte

4 Ouverture: Philippe Schwemling (Paris) 1. Potentiel de Physique: Laurent Vacavant (Marseille) 2. Introduction au SLHC: Nigel Hessey (NIKHEF) 3. Chambres à muons de précision (MDT): Claude Guyot (Saclay) 4. Chambres à muons de déclenchement: Aleandro Nisati (Rome) 5. Calorimètre Hadronique à Tuiles: François Vazeille (Clermont-Ferrand) 6. Calorimètre électromagnétique à Argon: Sylvain Tisserant (Marseille) 7. Electronique Calorimètre à Argon: Christophe de la Taille (Orsay) 8. Organisation du Détecteur interne: Nigel Hessey (NIKHEF) 9. Simulations SLHC: Pavel Nevsky (Brookhaven) 10. Micromegas à très haut flux: Ioannis Giomataris (Saclay) 11. Electronique frontale: Francis Anghinolfi (CERN) 12. R&D pixels et remplacement de la couche b: Alexandre Rozanov (Marseille) 13. ATLAS Upgrade Project Office & System Review: Mike Tyndel (CERN)  Discussion: Daniel Fournier (Orsay), Jean Ernwein (Saclay) ◊ 13 exposés couvrant tous les domaines où sont impliqués des laboratoires IN2P3/DAPNIA  Un résumé ne respectant pas l’ordre des présentations

5 Qu’est-ce que le Super LHC? Une augmentation d’un facteur 10 de la Luminosité nominale du LHC … accompagnée d’une augmentation modeste de l’énergie … effectuées en 3 phases  Luminosité nominale du LHC en collisions proton-proton L = 10 34 cm -2 s -1 par point d’interaction … atteinte en 2009-2010 (?)  Rappel: Luminosité - Exprimée en  cm -2 s -1  - Nombre d’événements/seconde pour un processus de section efficace donnée  N = L x  avec  en cm 2 - Processus rare:  petit  Augmenter L est un moyen d’augmenter N … mais aussi le bruit de fond

6  Passage au SLHC en 3 phases … avec différentes pistes:  Phase 0: pas de coûts supplémentaires  Phase 1: surcoûts modestes à sensibles  Phase 2: surcouts très significatifs - Interactions seulement dans ATLAS et CMS  L x 2.3 - Augmentation du champ des aimants dipolaires (9 T max)  E de 7 à 7.54 TeV par faisceau soit un gain de 1.08 TeV dans la collision - Quadripôles IR rapprochés du point d’interaction - Amélioration des angles de collision - Nouvelle RF avec harmoniques plus élevés  Surcoût de 56 MCHF  L x 2 - Intervalle de croisement* moitié (25 ns  12.5 ns)  L x 2 - Super SPS + nouveau LINAC (Injection à 1 TeV)  L x 2 - Cycle de remplissage/fonctionnement plus rapide (10 h 5 h)  L intégrée x 1.4 ( * 10 ns et 15 ns également envisagés)

7  Tous les facteurs ne seront pas obtenus en même temps et selon les prévisions  Objectifs  Quel planning pour le SLHC … et pour ATLAS?  Phase 0: 2012  Objectif du facteur 10: 2015  Arrêt machine et upgrade ATLAS: 18 mois (dont 2 hivers)  2014  Production/assemblage ATLAS: 2012-2013  ATLAS: Conception détaillée/Industrialisation: 2009-2011  ATLAS R&D: Maintenant à 2008 … soit environ 2 ans et demi L instantanée x facteur 10 L intégrée x facteur >10  Urgence de l’atelier ATLAS IN2P3/DAPNIA

8  230 collisions Minimum Bias  ~ 10000 particules dans |  |  3.2  principalement des traces à bas P T Illustration: Environnement d’un événement ATLAS à SLHC à L = 10 35

9 Objectifs de Physique Etendre le potentiel de mesures et de découverte du LHC  2020 environ en complément ou compétition avec le futur ILC (500-800 GeV e + e - ) et dans l’attente du CLIC au CERN (3 TeV e + e - )  Scénario standard - Higgs léger découvert au LHC  première étape pour la compréhension de la brisure électrofaible Désintégrations rares du Higgs Mesure des propriétés et couplages du Higgs SUSY et secteur de Higgs  SLHC - Nouvelle physique trouvée au LHC: Supersymétrie  observation de sparticules  SLHC Confirmation de SUSY (différences de spin part/spart) Recherche éventuellement de squarks/gluinos à grande masse Spectroscopie, mesure de masses de sparticules

10  Scénario propre au SLHC - Nouvelle physique autre que SUSY Dimensions supplémentaires (pas incompatible avec SUSY) Nouveaux bosons de jauge Sous-structure des quarks - Pas de Higgs: étude de la diffusion V L V L - Dans tous les cas: mesures dans le secteur électrofaible Couplage multiple des bosons de jauge Désintégrations rares du top Avec accès aux processus les plus rares et un gain en masse d’environ 30%

11 MachineLHCSLHCLCCLICPrincipaux composants pour une mesure au SLHC Collision (TeV)14150.85 Lumi/an (fb -1 )10010005001000 Squarks2.5 TeV3 TeV0.4 TeV2.5 TeV calorimétrie WLWLWLWL 22 44 66 90  calo. (avant) Z’5 TeV6 TeV8 TeV *30 TeV * muons+calo. ED (  = 2)9 TeV12 TeV5-8.5 TeV* 30-55 TeV* calorimètres q*6.5 TeV7.5 TeV0.8 TeV5 TeV calorimètres composite30 TeV40 TeV100 TeV400 TeV jets TGC  (95%)0.00140.00060.00040.00008 leptons,  * mesure indirecte (contraintes de précision)  Comparaison des machines et sous-détecteurs les plus impliqués

12 Quel(s) impact(s) sur ATLAS?

13 Objectifs de l’upgrade d’ATLAS  Conserver les mêmes performances avec L 10 fois plus grande (Efficacités, résolutions, identifications des particules)  Conserver le même taux de Trigger Niveau 1: 100 KHz  Stocker à 100 Hz mais: - Echantillons plus purs - Plus de données/événement  mais ne pas multiplier le bruit de fond par le même facteur Principaux effets de la haute Luminosité  Radiations encore plus élevées  Vieillissements induits s’ajoutant à ceux déjà présents (Naturels, radiations)  Rapidité de l’électronique (Scénarios à 12.5 ns, ou 10 ou 15 ns)  Taux d’occupation  Bande passante de l’acquisition  Effets imprévus, impossibilités … + coûts et manpower

14 Réduction du bruit de fond: nouveaux Tube Faisceau et Blindages  Tube Faisceau: plus grand et passer de l’acier  Béryllium  Modifications des Blindages: rajouts, nature, dimensions Blindages standard Niveaux de bruit de fond n/  vers Chambres à muons (Facteur 25: sur incertitude: sera clarifié par l’expérience)  Le bruit de fond n’est pas multiplié par 10, mais changements difficiles

15 Quadripôles IR 2 possibilités: rapprocher les derniers aimants de focalisation du point d’interaction (à 12 m) ou les intégrer dans le Détecteur interne ou les placer très près? Acquisition et Triggers  Nouvelle modification majeure  Acquisition: amélioration progressive  Profitant de la baisse des coûts et des progrès de l’informatique  Trigger de niveau 1:  Changements importants pour rester à 100 KHz

16 Chambres à muons 4 types différents de chambres selon les fonctions et positions - Chambres de précision: MDT (Monitor Drift Tubes) CSC (Cathode Strip Chamber) - Chambres de déclenchement: RPC (Resistive Plate Chambers) TGC (Thin Gap Chambers)  Nouveaux Tube Faisceau et blindages  très bénéfique: Bruit de fond divisé par 3  mais premières données LHC attendues: - Hypothèse basse: effets maitrisables - Hypothèse haute: certains effets insolubles

17 Chambres de précision nominal occ. ~4% x5x5 x 10 MDT Exemple de problème: pattern de reconstruction Pattern local possible … impossible MDT Trig. Ch. 1 Trig. Ch. 2 Recours aux Chambres Trigger La plupart des coups MDT viennent du bruit de fond Chambres Trigger 100 fois plus rapides et en coïncidence  Un dialogue direct MDT/Chambres Trigger  Réduction d’un facteur 10 à 100 du volume de données

18 CSC 2<  <2.7 Taux d’occupation: 3%  OK  Dégradation de la résolution et de l’efficacité Taux de comptage: ~4kHz/cm 2 (avant amélioration du blindage) A 10 35 Segment en 4 couches 20%  Optimisation Shaping Time et/ou ajouts d’autres couches  Conclusions sur chambres de précision:  Vieillissement des tubes et de l’électronique: probablement OK, sauf cas très défavorable  R&D obligatoire  Perte de résolution et d’efficacité sensible mais acceptable  Augmentation du volume de données  Accroitre la Bande passante de l’électronique d’acquisition et/ou réduire le volume de données en utilisant l’info Trigger  R&D FE MDT + logique rapide MDT/Trigger  Augmentation importante du taux de traces inventées  R&D sur software pattern  Cas extrême de changements de certaines chambres: solution Micromegas?  R&D sur Micromegas dans le contexte ATLAS

19 Chambres Trigger RPC pour le Barrel et TGC pour End Caps  Triggers en  et  - Bas P T : 2 stations - Haut P T : 3 stations  Réductions bruit de fond - Tube Faisceau  facteur 3 - Blindages  facteur 2 minimum mais pas une compensation complète allant jusqu’à un facteur 10  Tests d’irradiation Fonctionnement/efficacités: OK pour RPC et TGC  Taux d’occupation élevés pout TGC à grand   R&D sur nouvelles technologies: THGEM (GEM Gain 10 3  THGEM 10 5 )  Taux de Trigger élevés  Seuils en P T hauts Barrel: 20 GeV OK End Caps: > 20 GeV ?  Identification du Bunch Crossing: 25 ns OK 12.5 ns OK après modification hardware  R&D 10 ns Impossible  Déclencher en Dimuons?  R&D Trigger

20 Calorimètre Hadronique à Tuiles Scintillantes Calorimètres 16 mai 2006 Assemblage du 3 ième tonneau (EBA) 23 mai 2006 archive Insertion du dernier Super-Tiroir (1er: 12 juin 2003) Archive

21 LBEB Gap Crack Seulement: remplacement des Scintillateurs Gap/Crack … tout ou partie chaque année @ 10 35  Détecteur  Performances (Dynamique en énergie, Résolutions) conservées en Hadrons (Jets, hadrons isolés) et Muons mais une étude plus poussée de l’empilement est souhaitable … améliorées pour le Monitoring utilisant les événements Minimum Bias  Effets des radiations: - Tiroirs probablement OK, mais attente des premières périodes @ Basse Luminosité pour affiner les facteurs de sécurité et effectuer éventuellement de nouveaux tests de Radiation - Basses tensions Finger fLVPS à reprendre: en particulier ELMb

22  Effets des nouvelles fréquence de croisement - Nuls ou décisifs selon le choix final - De nouvelles études peuvent être requises sur TTC et RODs (communes à d’autres détecteurs, dont LAR) et sur des éléments Tuiles (Interfaces) - L’intervalle de 10 ns pourrait entraîner une refonte totale des Tiroirs  Aucun Institut candidat à ce jour!  Quels types de R&D? - Communs à ATLAS: TTC, ELMb, RODs, … - Propres au Tilecal Nouveaux tests de radiation … mais pas avant fin 2008  Informations @ Basse Luminosité Alimentations Basses Tensions Fingers (fLVPS) … très rapidement Interfaces Tiroirs complets … si requis + peut-être le Trigger analogique (Adders) dans le contexte global d’ATLAS

23 Calorimètre électromagnétique à Argon liquide Détecteur  Pas de problème côté Barrel  Inquiétudes côté End Caps …en place également (mai 2006) Octobre 2004 Sa descente  En place depuis décembre 2005 EMC: 2 roues concentriques (Petite roue: 2.5 <  < 3.2) HEC : 2 roues FCAL: 3 roues Possibilités d’ébullition de l’Argon (Petite roue EMC, FCAL) Faisceau on/off   t = 11°C à ajouter à la puissance électrique dissipée  Rajouter échangeurs (pas de place pour EMC) ou reprendre complètement roue interne EMC et FCAL?  Attendre fonctionnement LHC … Commentaire perso: impossible! Car démontage du Tilecal

24 Problème des charges d’espace + -------------- Voltage -------------- + + + + ++ Voltage L nominale SLHC - Accumulation d’ions dans le Gap - Mobilité très lente des ions/électrons  Plusieurs effets: - Champ électrique non uniforme - Perte de signal - Signal variant avec intensité - Chutes de HT - Effets imprévus?  Changement des cartes de distribution HT et alimentations HT?  R&D divers (en cours à Protvino et ailleurs) Electronique  Electronique Front End - Si elle survit au vieillissement naturel et aux radiations: obsolescence de composants  redesign complet - Si elle ne survit pas: changement complet  Conséquences sur autres parties: alimentations, sommation trigger, timing  Jusqu’à la partie finale Back End (RODs, …) Équivalent!

25  R&D sur de nombreuses parties: - Préamplificateurs : technologie ? - Shapers : nombre de gains ? - ADCs : commerciaux ? Nombre de bits ? - Sélecteur de Gain: avant/après ADC ? - Pipeline : Analogique/Digital ? Sur/hors le détecteur ? Profondeur ? - Lien Optique : Vitesse? Analogique/Digital  Quel niveau d’intégration? - Tout sur un chip comme pour ILC? - Suppression de zéro sur le détecteur?  Quelles technologies? - Deep Sub Micron (130 nm, 90 nm…): considérée au CERN (et ailleurs)  Plutôt adapté au Trajectographe - SiGe pour les applications analogiques (Programme R&D IN2P3 + USA)  Plutôt adapté à la Calorimétrie (et tiré vers le haut par l’industrie automobile)  Quels R&D en France? - Pas encore définis mais besoin de coordination - Développements concomitants avec autres expériences (ILC, Auger) - Intérêts possibles: Préamplis, Shapers, FADC, Calibration, RODs, … Commentaires: 4 pôles possibles Strasbourg (CMOS sensors), Orsay (SiGe) Clermont (SiGe, ADCs) Sud Est (Annecy, Grenoble, Lyon, Marseille)

26 Détecteurs internes TRT(Transition Radiation Tracker, pailles de 4 mm): semi-continu (~ 30 points) SCT (Semi Conductor Tracker, Largeur 80 µm): 4 couches (4 cylindres, 9 disques) Pixels (50 µm x 400 µm): 3 couches (Cylindres et disques) TRT SCT Pixels

27 Etat des détecteurs actuels… en 2015? TRT - Vieillissement des fils - Incapables d’accepter les flux attendus (Taux d’occupation déjà importants -40%- au LHC dans certaines zones) SCT - Taux d’occupation, très élevés dans les strips de 12 cm x 80 µm - Couches internes endommagées par les radiations Pixels - Couche B déjà remplacée en 2012  cause des radiations - Couche B endommagée en 2015  fonctionnement à 2.3 L nominale (2 ans) et probablement autres couches (jamais remplacées) - Pixels trop  grands   taux d’occupation élevés  Conclusion: Remplacement total de l’ensemble du détecteur interne + choix de l’uniformité: une seule température un seul système de refroidissement un seul gaz dans l’environnement

28 Plusieurs solutions envisagées  Tout Silicium: optimisation des dimensions  taux d’occupation < 1%  Capacité plus faible  moins sensible aux radiations Pixels (50 µm x 0.2 mm) : 3 couches (R= 6, 15, 24 cm) Strips courts (50 µm x 30 mm): 3 couches (R= 35, 48, 62 cm) Strips longs (80 µm x 90 mm) : 2 couches (R= 84, 105 cm)  Solution très couteuse: 159 MCHF  Autres solutions envisagées Pixels: 3D, Diamants, amorphes, jetables Micromegas  Moins couteux, résistants aux radiations  Nombreuses R&D en cours ou envisagées, y compris sur: électronique (130 nm), alimentations en série et convertisseurs dc-dc services, mécanique (moins de matière), refroidissement…

29 Nouvelle technologie: chambres Micromegas … déjà citées pour Chambres à muons et Détecteurs internes … présentées par Ioannis Giomataris … et Georges Charpak  Haute résistance aux radiations  Faible matière  Pas de refroidissement  Grandes surfaces possibles  Faible cout  Utilisées dans des expériences: COMPASS, NA48/KABES et considérées pour HCAL de ILC

30 Faible Gap Signaux rapides Bonnes résolutions temporelles et spatiales

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32 Organisation de la R&D dans ATLAS  La Collaboration ATLAS considère que l’upgrade est un projet majeur pour 2015  Elle est déjà organisée: - Upgrade Steering Group (UPG) - Upgrade Project Office (UPO)  Centralisation des dispositifs, services, intégrations et installation  Lancement et suivi des R&D  Plannings et suivis des travaux  Exemples de R&D déjà commencés ou envisagés: - Liens optiques (commun avec CMS) - Détecteurs Silicium - Alimentations séries - …

33 Premières conclusions  Le détecteur ATLAS et la Collaboration sont fortement concernés  Les nombreux défis exigent des R&D … pouvant commencer dès maintenant  Organisation d’ATLAS dans cette direction, sans détérioration des performances du détecteur … générales … pour le CERN  Le SLHC, c’est un TeV de plus dans les collisions et un ordre de grandeur sur la Luminosité instantanée avec la possibilité de gagner encore un facteur 2 sur la Luminosité intégrée … tout cela à l’horizon 2015  C’est la promesse de mesurer les processus physiques les plus rares, et d’aller vers des masses plus élevées  les grands enjeux de la discipline  C’est aussi la pérennisation du CERN  unique au monde  et exemplaire … dans l’attente du futur (Le CLIC?) … pour ATLAS

34 … propres à la communauté française d’ATLAS  Intérêt démontré par cet atelier: participation de 60 personnes (dont certaines hors ATLAS) tous les labos IN2P3/Saclay + laboratoires extérieurs (Brookhaven, CERN, INFN, Genève, NIKHEF)  Un certain nombre de R&D identifiés, avec un souhait d’approches communes  R&D ATLAS déjà commencés (SiGe: IN2P3/LAL) ou projetés (Pixels: Marseille/Paris)  Difficultés majeures: - Engagements 2006-2007 pour finir et démarrer ATLAS - Assurer la maintenance et les évolutions du détecteur - Volonté des Physiciens d’avoir … enfin des données de physique + les couts: upgrade ATLAS estimé à 227 MCHF  Tout le monde n’est pas convaincu que tout est nécessaire

35 … et au LPC?  ATLAS au SLHC est un nouveau projet potentiel, qui figure déjà dans des documents officiels … et qui a été abordé lors de la journée d’Olloix (Services Techniques et Administratifs)  Aucun choix n’a encore été fait … et ne sera fait sans concertation avec les Services Techniques  Dégager des Physiciens sera difficile … mais dans la période de R&D (à définir), une supervision pourrait suffire…  Le SLHC va concerner des Doctorants … qui en gros passent leur Brevet cette année!  Au LPC, il sera précédé: - Par la fin de l’installation d’ATLAS et son démarrage (2006-2007) - Par des travaux de maintenance (déjà commencés) et évolutions après 2007