Trajectographe et muons vers l’avant 2. Chambres à muons S.Viret pour les collaborations tracker/muon (IPNL/IPHC) 22 Juin 2017 CS IN2P3 1

Le trajectographe actuel de CMS 2. Chambre à muons disques → Comment optimiser l’utilisation du trajectographe de CMS au HL-LHC? → Au HL-LHC, il faudra faire aussi bien qu’au LHC dans un environnement beaucoup plus exigeant. → Le futur trajectographe devra faire face à des évènements beaucoup plus complexes et être utilisable dès le premier niveau du système de déclenchement de CMS (L1). Le trajectographe actuel de CMS → Pour améliorer un trajectographe il faut: Le rendre plus léger Augmenter sa granularité → Pour l’utiliser au L1 il faut: Extraire les données à 40MHz Reconstruire ces données en 4s → Chacun de ces points fait l’objet d’intenses programmes de R&D, dans lesquels l’IPNL et l’IPHC sont fortement impliqués 2 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 2

→ Un détecteur plus léger 1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Un détecteur plus léger Diminution du nombre de couches traversées Modification des structures de support Extraction du signal par fibres optiques Modification du système de refroidissement Detecteur actuel Matière traversée Detecteur PhaseII 3 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 3

1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Refonte des disques → Chaque bouchon sera composé de 5 disques, eux-mêmes composé de 4 demi-disques en fibre de carbone (Dees). L’IPNL est en pointe sur le développement des Dees Dee Bouchon de CMS → L’expertise de l’IPNL dans ce domaine (réalisation d’un des bouchon du tracker actuel) est reconnue. Le but à terme est de s’engager sur l’assemblage et les tests des Dees d’un bouchon entier. Une salle dédiée est en cours d’aménagement à l’IPNL (financée par le Labex LIO) 4 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 4

1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Refonte des disques → Différents prototype de mini-Dees ont déjà été produits et testés par les services de l’IPNL (avec une contribution importante d’entreprises locales). Premières étapes vers la production d’un Dee complet (2018). Secteur avec tube (version 2016) Secteur avec tube (version 2015) → En parallèle le bureau d’études a commencé à travailler sur un modèle de bouchon complet (disques/supports/services). 5 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 5

Chaîne d’acquisition du tracker phase II 1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Reconstruction des traces au L1 → Obligatoire pour conserver un niveau de sélection correct avec un empilement moyen de 200 → Cahier des charges: collecter et distribuer les données de tout le trajectographe à 40MHz et fournir les traces au système global en moins de 5s. → Refonte totale de la chaîne d’acquisition, et le développement d’un système de reconstruction purement électronique → Projet majeur de l’upgrade de CMS. Chaîne d’acquisition du tracker phase II 6 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 6

Vue éclatée d’un pT module strips/strips (2S) 1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Extraction des données: une électronique frontale dédiée → L’extraction des données à 40MHz implique une étape de compression au niveau du détecteur. → Les modules de détection sont constitués de 2 couches de silicium séparées de qqes mm. → Pour réduire la quantité de signal à extraire au L1, on reconstruit seulement les coïncidences entre clusters correspondant à une trace de pT élevé (stub). Vue éclatée d’un pT module strips/strips (2S) → Pour un pT minimal de 2GeV/c , le taux de réduction est d’environ 10. Suffisant pour sortir les infos. → Electronique frontale complexe (construction des stubs, compression des données, double readout,…) Stub: principe 7 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 7

→ Compression des données : une électronique frontale dédiée 1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Compression des données : une électronique frontale dédiée → Chaque module de détection contient 19 ASICs de traitement des données: 16 CBC/MPA (Imperial College/CERN) 2 CIC (IPNL/CERN) 1 GBT (CERN) CBC/MPA1 CBC/MPA2 CBC/MPA3 CBC/MPA4 CBC/MPA5 CBC/MPA6 CBC/MPA7 CBC/MPA8 CIC CBC/MPA1 CBC/MPA2 CBC/MPA3 CBC/MPA4 CBC/MPA5 CBC/MPA6 CBC/MPA7 CBC/MPA8 CIC (concentrateur) → Le CIC (responsabilité de l’IPNL et collaboration du CERN depuis 2017) assure la compression et la mise en forme des données produites par 8 ASICS de reconstructions, pour les 2 voies de lecture (L1 et RAW). GBT → Projet complexe réalisé dans une technologie nouvelle pour l’IN2P3 (TSMC 65nm). Première fonderie prévue début 2018. Modules de détection → Dans la continuité de la phase de développement, l’objectif de l’IPNL est de prendre en charge la qualification de l’ensemble des CIC du futur trajectographe (~30000). 8 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 8

→ Distribution des données: une électronique dorsale dédiée 1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Distribution des données: une électronique dorsale dédiée → Le système du trajectographe actuel gère uniquement des données raw à une fréquence de 100kHz DTC Track trigger L1 GT HLT Stubs Raw L1tracks L1 accept → Le système du futur tracker (cartes DTC) devra traiter 40MHz de données trigger et jusqu’à 750kHz de données raw. → Refonte complète des composantes hardware et firmware du système d’acquisition (DAQ). → L’expertise de l’IPHC dans ce domaine est importante (DAQ du tracker actuel, DAQ pour les tests des prototypes de pT modules) → L’IPHC souhaite prendre en charge le développement et la mise en œuvre du firmware des cartes DTCs. 9 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 9

1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Reconstruction des traces au niveau 1: une électronique dorsale dédiée Stubs → Le niveau 1 requiert une approche purement hardware de la reconstruction de traces. Techniques très différentes des méthodes classiques, en particulier pour l’identification. DTC Data redirection → La distribution des données est également un aspect fondamental (multiplexage en temps et en espace). ASIC Pattern reco AM L1 tracking → Trois solutions sont en cours d’étude. Le groupe de l’IPNL est impliqué dans une approche dans laquelle un ASIC dédié (mémoires associatives) est utilisé pour le filtrage des traces, et un FPGA pour le fit. Les deux autres approches utilisent uniquement des FPGAs. FPGA Fit PCA AM-based → L’IPNL souhaite prendre part à la mise en œuvre du système, si l’approche AM est choisie. Dans le cas contraire, nous ré-orienterons nos activités vers la partie DTC (avec l’IPHC) L1Tracks 10 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 10

→ Mémoires associatives: principe 1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Mémoires associatives: principe → Recherche de traces très rapide (un seul passage suffit) → Système développé initialement pour ATLAS et CDF, utilisé avec succès dans CDF au RUNII du Tevatron. Les routes sont stockées sur un ASIC dédié (AM chip). → Va être installé dans ATLAS lors de la phase 1, mais après le L1 (projet FTK). Baseline pour la phase II dans ATLAS. → Le développement d’une nouvelle génération de chip AM (TSMC 28nm), et leur exploitation dans CMS/ATLAS, mais aussi hors HEP, est le point central du projet ANR FastTrack (LPNHE/IPNL) débuté en 2014. Un prototype sera disponible en aout 2017. → Le démonstrateur actuel utilise le chip AM06 (TSMC 65nm), développé pour le FTK. Ce chip contient 130000 routes 11 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 11

→ Etude de faisabilité et développement d’un démonstrateur à l’IPNL: 1. Trajectographe 2. Chambre à muons disques → Etude de faisabilité et développement d’un démonstrateur à l’IPNL: → Un des objectif du projet ANR était de réaliser un mini-démonstrateur utilisant des chips AM06 → Système (hardware/firmware/software) développé et mis en œuvre à l’IPNL. → Système fonctionnel depuis début 2017. Accord simulation/hardware parfait. Latence totale est également en accord avec nos estimations. Demonstrateur Track Trigger de l’IPNL Ttbar + PU200 RAW After AM AfterTC → Développement d’une émulation bit-wise des chips AM dans CMSSW. Responsables du code officiel de reconstruction des traces L1. Simulation du système complet 12 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 12

Améliorer l’efficacité de la détection des muons à grand η 1. Trajectographe 2. Chambre à muons →Quelles sont les motivations ? Utiliser la performance temporelle des RPC pour mettre en évidence les HSCP Améliorer l’efficacité de la détection des muons à grand η b = 0.9-0.95 Rendre le système de déclenchement des muons plus efficace en réduisant la contribution du fond avec l’utilisation des informations temporelles b = 0.85-0.9 13 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 13

- Mesurer la position des hits avec une résolution de 1-2 cm. 1. Trajectographe 2. Chambre à muons →Quels sont les requis ? - Couvrir la zone libre en h = 1.6 – 2.5 ou seuil les CSC sont présentes pour le moment. - Détecter des muons dans une soupe de bruit de de 2 kHz/cm2 venant du PU. - Mesurer la position des hits avec une résolution de 1-2 cm. - Fournir des informations au système de déclenchement L1 en ligne avec un taux de 40 MHz et avec une résolution temporelle de 1 ns. - Avoir une fiduciel en f maximal pour fournir des information complémentaires hors ligne aux CSC. Les RPC dans CMS 13 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 14

→ Quel est le rôle de CMS France dans le projet 1. Trajectographe 2. Chambre à muons → Quel est le rôle de CMS France dans le projet Les détecteurs RPC de CMS avec les électrodes à Bakélite ont été certifiés à 300 Hz/cm2:  CMS France propose d’augmenter le taux de détection en utilisant des matériaux moins résistifs (verre et plastique dopés) et en réduisant les gaps de gaz et l’épaisseur des électrodes. 2) Les détecteurs RPC fournissent une excellente résolution temporelle  CMS France propose d’utiliser une électronique capable d’exploiter le timing (PETIROC + TDC) avec une résolution temporelle < 20 ps.  CMS France propose des cartes électroniques avec des strips lus des deux cotés (2D) pour déterminer la position en η avec une bonne résolution ( 1-2 cm) à la place des strips de 20-30 cm de long actuellement utilisés réduction des canaux en augmentant le performances 3) L'électronique et le Back End actuel limitent l'information sur le temps absolu à 12.5 ns (½ temps de croisement):  La carte électronique et le back-end proposé par CMS France pour les nouveaux détecteurs RPC permettrait d'exploiter une résolution en ligne de 1 ns. 13 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 15

1) 2015 - Les RPC à verre dopé (1 gap, petit prototype - 30x30 cm2) 1. Trajectographe 2. Chambre à muons 1) 2015 - Les RPC à verre dopé (1 gap, petit prototype - 30x30 cm2) Etudié à 7 kV. Le verre dopé reste efficace au dessus de 70% à 2.5 kHz (single gap) 15 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 16

1) 2016 - Les RPC à verre dopé (2 gap, ½ taille réelle) 1. Trajectographe 2. Chambre à muons 1) 2016 - Les RPC à verre dopé (2 gap, ½ taille réelle) Un détecteur ½ taille réelle a été conçu et construit à IPNL: Des plaques de verre dopé de 30cm x 30cm (taille maximale) ont été assemblées mécaniquement sans colle. 2) Le capacité de tenue aux radiations jusqu'à 3-6 kHz/cm2 a été démontrée. 3) Une sensitivité particulière du verre dopé à la composite électronégative du gaz (SF6) a été constatée. 4) La présente électronique de CMS a été utilisée. 15 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 17

résolution temporelle à grande charge (10 ps) mais un seuil à 100fC 1. Trajectographe 2. Chambre à muons 2) PETIROC ASIC 32 ch , technologie SIGe résolution temporelle à grande charge (10 ps) mais un seuil à 100fC Il faut adapter le PETIROC aux besoins de CMS-RPC  Avoir la possibilité de réduire le seuil à une dizaine de fC tout en gardant une résolution temporelle < 100 ps.  Passer à 64 ch pour simplifier les cartes/  Utiliser le TDC développé par l’IPNL dans PETIROC. 15 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 18

3) 2017 : résolution spatiale et temporelle 1. Trajectographe 2. Chambre à muons 3) 2017 : résolution spatiale et temporelle Vitesse de propagation du signal V ~ 2*1 cm/0.11ns ~ 18 cm/ns Résolution spatiale résultante ~ 1.3 cm Mean ΔT (ns) Position (cm) Res. Abs. (incluant le jitter scintillateurs)  = 2.4 ns Resolution interne  = 4.08 ns  = 0.2 ns Y= L/2-V*(T1-T2)/2 à σ(Y) = V* σ(T1-T2)/2 Résultats obtenus avec un 2-gap en Bakélite et 1.6 mm (épaisseur d’électrode et d’intervalle de gaz) 15 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 19

3) 2017 - Conception PCB taille réelle 1. Trajectographe 2. Chambre à muons 3) 2017 - Conception PCB taille réelle 1.7 m Taille réelle du détecteur: Longueur 1.7 m. Largeur maximale : 1.14 m Challenge pour réaliser les cartes électroniques L’entreprise française ELVIA fabriquera les premiers modèles. Une mezzanine à se fixer sur la carte et contenant les ASICs sera utilisée 3) 2018 – développement d’un système d’acquisition exploitant la résolution temporelle Optical Link Back-E nd baord 18 O.L 2 O.L 1 O.L for data 1 O.L for the trigger - Développer un firmware permettant d’exploiter la coïncidence temporelle pour améliorer le système de déclenchement Des muons. - Utiliser des cartes déjà développées par CMS en utilisant le protocole GBT. 15 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 20

Réalisation et qualification de l’ASIC concentrateur (IPNL) Conclusions → L’IPNL et l’IPHC ont une place importante et reconnue dans le développement du futur trajectographe et des chambres à muons vers l’avant. Les implications envisagées sont les suivantes: TRAJECTOGRAPHE: Participation à la réalisation et la mise en oeuvre d’un bouchon (IPNL) Réalisation et qualification de l’ASIC concentrateur (IPNL) Développement et mise en œuvre du firmware d’acquisition (IPHC) Développement et mise en œuvre d’un système de reconstruction rapide de traces basé sur des mémoires associatives (IPNL) MUONS VERS L’AVANT: Développement et mise en œuvre de l’électronique frontale (IPNL/OMEGA) Participation au développement du système d’acquisition (IPNL) → 2017 est l’année des Technical Design Report, d’importantes décisions vont donc être prises concernant nos engagements futurs. 18 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 21

→ Developpement de RPC simple gap (2015) 1. Trajectographe 2. Chambre à muons → Developpement de RPC simple gap (2015) PCB support (polycarbonate) PCB (1.2mm)+ASICs(1.7 mm) Mylar layer (50μ) Readout ASIC (Hardroc2, 1.6mm) PCB interconnect Readout pads (1cm x 1cm) Mylar (175μ) Glass fiber frame (≈1.2mm) Cathode glass (1.1mm) + resistive coating Anode glass (0.7mm) Ceramic ball spacer Gas gap(1.2mm) → L’efficacité de ces prototypes à haute fréquence est clairement meilleure que celle des chambres classiques (bakelite). → Test d’irradiations??? 14 Réunion CMS-IN2P3 S. Viret 22