Amélioration du système de sélection en ligne des événements par le calorimètre de l’expérience DØ Proposée par : (hors étudiants): M. Besançon, J. Bystricky, L. Chevalier, P. Colas, C. Guyot, P. Le Dû, P. Lutz, E. Perez, J.F. Renardy, C. Royon, B. Tuchming, A. Zylberstejn Consultations pour définition du projet: D. Calvet, I. Mandjavidze, M.Mur, B. Thooris CER - 5 Juillet 2001

Le Tevatron Le Laboratoire Fermi (FNAL : Fermi National Accelerator Laboratory), près de Chicago, disposait depuis 1972 d’un accélérateur de 200GeV (comparable au SPS du CERN). A la fin des années 70, lors de la crise pétrolière, Bob Wilson propose l’Energy Saver/Doubler : en 1983, la machine atteint 512GeV et prend le nom de Tevatron. Jusqu’au démarrage du LHC, cette machine restera la plus puissante au monde. Comme au CERN, l’accélérateur sera converti en collisionneur pp̅ dans les années 80. Il a fonctionné avec une énergie dans le centre de masse de 1800GeV a partir de 1986 (a comparer avec 210GeV pour le LEP et ~600GeV pour UA1/UA2). Il y a 2 grandes expériences au collisionneur de FNAL: CDF et DØ. Saclay participe à DØ depuis le début de l’expérience (1983). A l’époque, c’était le seul laboratoire européen dans DØ. CER - 5 Juillet 2001

Located just west of Chicago Le Tevatron Main injector (run II) antiprotons CDF protons 1 km DÆ Located just west of Chicago Center of mass energy: Run I (1992-1996): 1.8 TeV Run II (2001-2007): 2.0 TeV CER - 5 Juillet 2001

Le Détecteur DØ (Run I: 1992-1996) No mag. field in central region Central Calorimeter End Calorimeter TRD Uranium liquid argon Calorimeter Central Drift Chambers (Tracking) CER - 5 Juillet 2001

Le Run 2 A la suite de l’arrêt du projet SSC à la fin 1993, un programme (appelé Run2) d’amélioration rapide de la luminosité du Tevatron à été engagé. La luminosité passe de 16*1030 cm-2 s-1 à 86*1030 cm-2 s-1 en augmentant le nombre de paquets dans la machine de 6*6 à 36*36. Cela ramène le temps entre deux croisements de faisceau de 2,4μs à 396ns . Le Run2 devait commencer en 1999 et se terminer en 2003, au démarrage du LHC. Il a effectivement commencé il y a quelques mois et on espère prendre de bonnes données pour la physique avant la fin de cette année. Ce projet était accompagné par un important programme d’amélioration des expériences. Pour DØ, cette amélioration concernait essentiellement le détecteur central et le système de déclenchement. CER - 5 Juillet 2001

Amélioration du détecteur de traces central Nouveau solénoïde 2T construit par le Japon Il permet de mesurer l’impulsion des traces Détecteur à fibres scintillantes 8 doubles couches (z-u/v) 74,000 fibres de 830 μm Lecture par des VLPC (visible light photon counters) Détecteur à pistes en silicium 4 couches cylindriques (à double/simple face) 12 Disques en silicium intercalés (à double face) 793,000 canaux Prévu pour résister aux radiations jusqu’en 2003 Lecture de l’ensemble par le SVX2 introduit 7μs de temps mort à chaque L1Yes CER - 5 Juillet 2001

Détecteur de traces central (phase II) Détecteur au silicium 4 couches cylindriques (à double/simple face) Disques en silicium intercalés (à double face) 793,000 canaux Détecteur à fibres optiques 8 doubles couches (z-u-v) 74,000 fibres de 830 mm 1.1 Aimant solénoïdal 2T cryostat 1.7 Détecteur de pied de gerbes Sandwich plomb-scintillateur 16,000 canaux Avant 6,000 canaux Central CER - 5 Juillet 2001

Amélioration du système de déclenchement Schéma à trois niveaux L1 et L2 basés sur des données extraites rapidement pour faire la décision; L3 basé sur les données complètes. L1 basé sur de la logique câblée (latence fixe de 5μs); L2 et L3 basés sur du logiciel exécuté par des processeurs de déclenchement (latence variable). L1 et L2 : systèmes autonomes; L3 : système intégré à la lecture des évènements. Nouveaux éléments Le superviseur (Framework) qui contrôle L1 et L2 L1 : le CTT pour le détecteur de traces et le système pour les muons L2 : Un réseau de processeurs puissants (Alpha) Chaque processeur traite sa petite partie d’algorithme pour tous les évènements. L3 : Ferme de filtrage avant mise sur bande à base de PCs Seul, le L1 pour le calorimètre est conservé CER - 5 Juillet 2001

Le nouveau niveau 1 de déclenchement L1 Muon A base de scintillateurs Semble bien fonctionner L1 Électron Conservé car le laboratoire responsable était occupé avec le Framework. Ne posait pas de problèmes avant 2003 L’algorithme pour les Jets et l’isolation pour les électrons sont faits dans le niveau 2 L1 détecteur de traces Déjà très compliqué pour une première étape Le système est très en retard Il y a des doutes sérieux sur son efficacité CER - 5 Juillet 2001

Autres améliorations ICD : Inter-Cryostat Detector bouche les trous dans l’acceptance du calorimètre Pre-Shower Pour compenser la perte d’énergie due à l’introduction du solénoïde Contribue au CTT (Central Tracker Trigger) Nouveau système de lecture du calorimètre Enregistre la forme des signaux (SCA : Switched Capacitor Array) limite la fréquence des L2Yes à 1KHz CER - 5 Juillet 2001

Le Run 2b En 1999, il est apparu que l’on pouvait encore améliorer la luminosité du Tevatron. La luminosité passerait à 5*1032 cm-2 s-1 avec 140*105 paquets. Cela ramènerait le temps entre deux croisements de faisceau à 132ns . Il serait possible d’accumuler une luminosité suffisante pour voir le Boson de Higgs avant le démarrage du LHC (2007). Cela entraîne un nouveau programme d’amélioration des expériences. Pour DØ il faudra: Nouveau détecteur en silicium pour remplacer l’actuel, tué par les radiations. Projet accepté : il sera installé en 2004. Nouveau système de déclenchement Pour conserver les taux actuels malgré l’augmentation de luminosité Nous proposons un nouveau niveau 1 calorimétrique Le CTT et le L2 sont aussi candidats pour des améliorations. Décision de la collaboration avant la fin de l’année CER - 5 Juillet 2001

Boson de Higgs et luminosité intégrée Espérée en 2007 Prévue fin 2003 CER - 5 Juillet 2001

Pourquoi un nouveau niveau 1 calorimétrique Problèmes avec le système actuel Pour conserver les taux de déclenchement, il faut appliquer au niveau 1 les algorithmes du niveau 2 actuel (isolation pour les électrons et fenêtre glissante pour les hadrons) A 132ns entre croisements, le système actuel souffrira soit d’un mauvais BCID (Beam Crossing Identification), soit d’une perte de résolution en énergie. Le système actuel aura plus de 20 ans en 2007 Environnement favorable Les auteurs du système actuel (MSU Michigan State University) souhaitent le remplacement, mais manquent temporairement de main d’œuvre Nous avons l’habitude de travailler avec eux Ce projet est en continuation du travail fait pour ATLAS/Trigger Intérêt pour le DAPNIA d’une contribution matérielle CER - 5 Juillet 2001

Caractéristiques du projet Mise en œuvre progressive Dans une première phase, il est possible d’installer le nouveau système en parallèle avec le système actuel (qui continuerait à fonctionner) Dans une phase ultérieure, après démontage du système actuel, il sera possible d’améliorer la granularité du système de déclenchement Identification de 2 composants (analogique et logique) Étude séquentielle des deux cartes Division claire des responsabilités Partage de l’étude du nouveau système par les physiciens Le DAPNIA réalise seul la totalité des études d’électronique et les prototypes Les tests dans DØ sont faits en collaboration (une présence continue à FNAL de nos ingénieurs n’est pas nécessaire) La maintenance à long terme est assurée par MSU CER - 5 Juillet 2001

Organisation logique du projet Transmitter AnalogSum 0.4x0.4 energy sum Jet finding EM + HAD sum Et sum Ex,Ey e/g t/h FADC (8bit) Receiver L1 Framework Calorimeter Isolation Centroid finding 8 bit 0.2x0.2 TT Total Et sum Missing Jets counting Et Track Merger Cluster finding e/m cluster hadron Signals from CTT’ Digital Filter CER - 5 Juillet 2001

Organisation matérielle du projet FPGA Logic ADC (8bit) + Digital filter Filter 5120 cables 2560 EM signals 0.1 x 0.2 288 LVDS Links* F R A M E W O K 8TT 0.2 x 0.2 6U card 32 inputs 1- 4 outputs 1 x 6U card per octant 160 TT plus overlap 36 inputs links x 160 x 8 Signals From CTT’ x 1 e/g/t/Jet Algorithms TT Signal Processing Energy Sum Xing =132 ns (7.57 MHz) or 396 ns ( 2.52 MHz) Useful Data out = 1.8 Gbit/sec (8TT x 8bit x 3samples x 7,57 MHz) 1 link* = 4 x 600 Mbit/sec H S Diff. Single ended 2560 HAC signals 1280 TT 0.2 x 0.2 Global jets clusters em had e/g h/t + 620 ns + 25 x132 ns 3.3 µsec (+/-2 ticks) Jets BLS cards Track Merger Et CER - 5 Juillet 2001

Les phases du projet Démonstrateur Étude détaillée du système Montage sur table des éléments critiques Prototype Installation dans DØ et test du prototype de la carte de traitement analogique Pré-série Installation dans DØ et test d’une fraction significative (<1/8 du calorimètre) du système Se compose du prototype de la carte de traitement logique et d’un certain nombre (<20) de cartes de traitement analogique définitives Série Phase finale. Commence avec la commande de la totalité du matériel Se termine avec la fin de la mise en service du matériel CER - 5 Juillet 2001

Planning CER - 5 Juillet 2001 Presérie Design Const Test Demonstrateur 02 Internal review MSU MRI Saclay CSTS 03 Milestones Presérie Design Const Test Start operation Hardware procurement Demonstrateur Prototype Série Commission 04 CER - 5 Juillet 2001

CER - 5 Juillet 2001