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L’ esperimento BTeV ed il suo rivelatore di vertice a pixel di silicio
Gabriele Chiodini Fermi National Accelerator Laboratory
P.O. Box 500 Batavia, IL 60510, USA
Presentato a:
INFN - Lecce, Italia
Ottobre 14, 2002
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 2/70
L’obiettivo dell’esperimento BTeV e’ misurare con precisione i parametri del MS e cercare in modo sistematico inconsistenze al fine di scoprire fisica oltre il modello stesso.
Se “nuova fisica” verra’ scoperta al Tevatron o a LHC, per poter distinguere tra vari modelli sara’ necessario compiere misure di precisione.
–J. Ellis: “My personal interest in CP violation is driven by the search for physics beyond the Standard Model…”
Le misure da compiere a tal proposito sono:
• lati ed angoli del triangolo unitario in modo ridondante ed ad elevata statistica (violazione di CP in Bd e Bs, Bs mixing).
• Cercare segnali dove il MS non ne prevede (decadimenti rari del b, mixing e viol. di CP nel c).
BTeV e’ in grado di fare queste misure
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 3/70
Sommario• Motivazioni
» Fisica dei sapori» Violazione di CP
• L’esperimento BTEV» Introduzione» Sistema di tracciamento» Identificazione di particelle» Trigger e DAQ» Status
• R&D dei rivelatori a pixel al Fermilab » Introduzione» Rivelatore a pixel ibrido» Risoluzione spaziale » Elettronica CMOS 0.25 m» Status
• Conclusioni
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 4/70
Motivazioni – Fisica dei sapori Matrice CKM e fisica del b
Matrice CKM:• 0.22 (dec. semileptonico quark s). • A0.8 (dec. semileptonico quark b).• VV+=1 unitarieta’:
• soppressione FCNC• 6 triangoli unitari• I 4 angoli ’determinano la matrice V completamente
qL
W-
qL’Vqq’
-1/3 2/3
2 3 2
2 2 4 2 2
3 2
1 11- λ λ Aλ -i 1- λ
2 2
1V= -λ 1- λ -i A λ Aλ 1+i λ
2Aλ 1- -i -Aλ 1
η
η
ρ
η
ηρ
d
s
b
u c t
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 5/70
Motivazioni – Fisica dei sapori Il triangolo unitario bd
),(
cb
ub
V
V
*
cb
td
V
V
)0,1()0,0(
Triangolo unitario bd:
• dalla violazione di CP in K.• da Vub/Vcb
• dal mixing di Bd e Bs.
• BaBar e Belle hanno misurato sin(2)=.79±.1 con CPV nel Bd. • CDF misurera’ il mixing nel Bs.
Incertezza significativa nella posizione del vertice:
• Incertezze teoriche: m e Vub/Vcb
• Statistica in sin(2).
, MOLTO piu’ difficili da misurare.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 6/70
Motivazioni – Violazione di CP Ingredienti necessari
ii
iiiii
OCPOCP
OgOgL
)()(
*int
La simmetria CP e’ violata se la lagrangiana Lint contiene accoppiamenti complessi.
*intint ii
CP ggLL Il MS esplicitamente viola la simmetria CP attraverso il SOLO parametro
2 2
2 2
B A B A
B A B Aa
La violazione di CP si misura attraverso assimetrie di decadimento tra paricelle ed antiparticelle.
ws ii eaeA ws ii eaeA
bB bB
b a ab b a
aba
s w s w
s w
s w) , ( ) , (
cos cos 2
sin sin 22 2
Interferenza tra 2 ampiezze con diversa fase debole e forte
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 7/70
Motivazioni – Violazione di CP Interferenza decadimento-mixing
000
000
)()()(
)()()(
BtgBtgq
ptB
Btgp
qBtgtB
2
)()(
2
1
2
1timttimt HHLL
eetg
Pais-Treiman
debole fase forte"" fase)(
)(
f
f
A
A
p
q
tg
tg
2)(000
timt
H
HHeBqBpB
2)(000
timt
L
LLeBqBpB
Autostati di massa nelsistema neutro B0-B0
ff Atgp
qAtftB )()(g|)(0
Mixing+decadimento generano la seconda ampiezza che interferisce con il decadimento diretto.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 8/70
Motivazioni – Violazione di CP “Golden mode” 1: |f> autostato di CP
Mixing box diagrams
d2
2
2*
Bin )( i
tdtb
tdtb eVV
VV
p
q
B0Ks
1CP
CP
A
A
)sin(Im))(())((
))(())(()(
00
00
mtftBftB
ftBftBtA
CPCP
CPCPCP
)2sin(
Im
1))(())((
))(())((
2
0
00
0
00
x
x
ftBftBdt
ftBftBdt
A
CPCP
CPCP
CP
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 9/70
Motivazioni – Violazione di CP “Golden mode” 2: |f> non autostato di CP
Bs Mixing
s2
2*
Bin 1)(
tstb
tstb
VV
VV
p
q
Bs Ds-K+, Bs Ds
+K-
))sin()sin(2
sin2
cos(||))((
))sin()sin(2
sin2
cos(||))((
))sin()sin(2
sin2
(cos||))((
))sin()sin(2
sin2
(cos||))((
22222
2222
22222
2222
mtmt
Amt
eAftB
mtmtmt
eAftB
mtmt
Amt
eAftB
mtmtmt
eAftB
strongCKMft
fs
strongCKMt
fs
strongCKMft
fs
strongCKMt
fs
))(2sin( 2 OCKM
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 10/70
Motivazioni – Violazione di CP Contaminazione da diagrammi a pinguino
“Contaminati”da diagrammi a pinguino
B0Ks
B0
BsKs
Teoricamente pulito
)sin(Im2)cos()||1()||1(2
||
))((
222
0
mtmteA
ftB
tf
Tree diagram (I=1/2,3/2)
Penguin diagram (I=1/2)
odecadiment nel ampiezzaun' se soltanto )(2 decaymixi
f
f eA
A
p
q
ie
ie
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 11/70
Motivazioni – Violazione di CP Analisi di isospin
Analisi sul Dalitz plot di B0 (con un solo 0)
00000
0
100
100
22 PTTTTπ|ρB
PPTπ|ρB
PPTπ|ρB
000
000 2
0
π|ρBfπ|ρBfπ|ρBf
AB
22
cos),(
imm
mf
)2cos(
)2sin(
Tree amplitude = Tij I=1/2,3/2Penguin amplitude = Pi I=1/2
Breit-Wigner
L’intensita’ del Dalitz plot oscilla nel tempo e dipende da:
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 12/70
Motivazioni – Violazione di CP Ricerca di nuova fisica
Nuova fisica e’ messa in evidenza se:• .• Nuova fisica potrebbe rimanere nascosta se .• BTeV testera’ in modo profondo il MS misurando :
Le asimetrie di CPV dipendono dai modelli:• Supersimmetrie• Extra multipletti di Higgs• Quarta generazione• Simmetria LR (WR)• FCNC mediate da Z’• …
)sin(
sinsinsin 2
BsJ/BsJ/
Mixing: MS vs SUSY
Decadimento: MS vs SUSY
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 13/70
BTeV – IntroduzioneLocazione di BTeV
La futura casa di BTeV: la nuova regione d’interazione CZero
CDF D0
Main injector 150GeV + recycler antip
Tevatron 1TeV
Fixed TargetExperiments
p p
Parametro Valore
ECM 2 TeV
L di picco 21032 cm-2 s-1
L integrata 2 fb-1/year
Bunch crossing 132 ns
Larghezza RI 50 m
Lunghezza RI 30 cm
<Inter./crossing> 2
Sez. d’urto tot. ~ 67 mb
Sez. d’urto bb 100 b
Sez. d’urto cc > 500 b
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 14/70
BTeV – IntroduzioneProduzione di beauty
Risonanza o Z0
Produzione di b-antib alle risonanze e+ e-
Z0
*** B-factory *** e+(3.1GeV) e-(9GeV) :
• b prodotti quasi a riposo• Energia vincolata• bb/ tot1/3 alla (4s)
Processi dominanti nella adroproduzione di b-antib
• b relativistici• Energia variabile• bb/ tot1/500• B, Bs, barioni con b
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 15/70
BTeV – IntroduzioneBTeV e B-factory
• Bo+ - (BR=0.45x10-5)
• B-Do - (Full product BR=1.7x10-7)
• Bs , Bc e b non prodotti ad e+e- Y(4S)
L (cm-2s-1) #Bo/107s D2 #tagged e+e- 1034 1.1 nb 1.1x108 0.45 0.26 56 BTeV 2x1032 100b 1.5x1011 0.021 0.1 1426
L(cm-2s-1) #Bo/107s # e+e- 1034 1.1 nb 1.1x108 0.4 5 BTeV 2x1032 100b 1.5x1011 0.007 176
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 16/70
BTeV – IntroduzioneRegione “forward”
Ridotto Multiplo Scattering
B ed antiB nellostesso emisfero
(“b tagging”)
L=2×1032cm-2s-1
<inter/crossing>=2
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 17/70
BTeV – IntroduzioneLo spettrometro BTeV
pp
Toroids
• Misure di p nel trigger.• Rivelatore di vertice a
pixel. – Trigger con decadimenti
adronici• Misura di momento
– p/p=1% a 100 GeV.• Ecal a cristalli di PbWO4
– and 0.• Ring Imaging Cerenkov
(RICH).– K, , p – Leptoni a basso p– Tagging del sapore.
• Rivelatore a muoni– Ridondanza nel trigger.
• DAQ veloce e di alta capacita’ di memorizzazione dati
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 18/70
BTeV – Introduzione”Tagging” del sapore
• efficienza (Nright+Nwrong)/(Ntot)• D diluizione (Nright-Nwrong)/(Nright+Nwrong)• Efficienza effettiva di tagging D2
• Metodo in ordine decrescente di D2:– Away side K±
– Away side Muoni (da fare con Elettroni).– Same side ± (per Bo) or K± (per Bs). – Away side Jet Charge (si sovrappone con ASK e ASM).
• Ciclare sui metodi, partendo da quello piu’ effettivo, e fermarsi quando si ha una risposta.
D2 (Bo) = 0.10, D2 (Bs) = 0.13 differenza dovuta al “same side tagging”
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 19/70
BTeV – IntroduzioneMisura della matrice CKM (107sec)
J/l+l-
Reaction B (B)(x10-
6)# of Events S/B Parameter Error or (Value)
Bo+- 4.5 14,600 3 Asymmetry 0.030
Bs Ds K- 300 7500 7 8o
BoJ/KS J/l+ l- 445 168,000 10 sin(2) 0.017
Bs Ds- 3000 59,000 3 xs (75)
B-Do (K+-) K- 0.17 170 1
B-Do (K+K-) K- 1.1 1,000 >10 13o
B-KS - 12.1 4,600 1 <4o +
Bo K+- 18.8 62,100 20 theory errors
Bo+- 28 5,400 4.1
Booo 5 780 0.3
~4o
BsJ/ 330 2,800 15
BsJ/ 670 9,800 30 sin(2 0.024
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 20/70
BTeV – IntroduzioneDecadimenti rari (107sec)
Reaction B (10-
6) Signal S/B Physics
BoK*o+- 1.5 2530 11 polarization & rate
B-K-+- 0.4 1470 3.2 rate
bs+- 5.7 4140 0.13 rate: Wilson coefficents
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 21/70
BTeV – IntroduzioneBTeV e B-factory “New Physics” modes
Mode BTeV (107s) B-fact (500 fb-1) Yield Tagged S/B Yield Tagged S/B
BsJ/ 12650 1645
>15 - -
B-K- 11000 11000 >10 700 700 4
BoKs 2000 200 5.2 250 75 4
BoK*+- 2530 2530 11 ~50 ~50 3
Bs +- 6 0.7 >15 0
Bo+- 1 0.1 >10 0 D*++Do, DoK+ ~108 ~108 large 8x105 8x105 large
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 22/70
BTeV – IntroduzioneBTeV e LHCb I
• LHC ha 5x sezione d’urto e 1.6x S/B.• BTeV ha rivelatore di vertice in campo magnetico
– Rimuove tracce a basso p nel trigger (alto multiplo scattering)• BTeV e’ progettato attorno ad un microvertice a pixel
– Bassa occupanza, basso rumore, facile “pattern recognition”– Permette di determinare la presenza di vertici secondari per il
trigger di primo livello. – Importante per accumulare grande statistica nei decadimenti rari
del beauty e charm.– Permette di prendere dati con piu’ interazioni per crossing.
• BTeV ha un ECAL di ottima qualita’• BTeV intende registrare su disco 5x b/sec
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 23/70
BTeV – IntroduzioneBTeV e LHCb II
(107sec)
Mode BRYield S/B
Yield S/B
Bs Ds K- 3.0x10-4 7530 7 7660 7
Bo+- 2.8x10-5 5400 4.1 2140 0.8
Booo 0.5x10-5 776 0.3 880 not known
BTeV LHC-b
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 24/70
BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel
Rivelatore ibrido a pixel
Readout chip
Sensor
Rivelatore di vertice planare
Bump
• Facile ricostruzione delle tracce con misura di punti nello spazio (x,y,z)• Resistenza alla radiazione (21014 particelle cm-2y-1)• Ridotto affollamento di hit ed elevato S/N
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 25/70
Multichip module50 m
400 m5 cm
1 cm
Si pixel sensors
sensor module
5 chips di readout
128 rows x22 columns
14,080 pixels (128 rows x 110 cols)
BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel: assemblaggio mezza stazione
HDI flex circuitWire bonds
Sensor module
Readout module Bump bondsPixel detector half-station
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 26/70
BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel: sistema meccanico
• Rivelatore assemblato in due meta’.
• Attuatori pneumatici muovono le due meta’ in (x,y):– Pixel allontanati durante il
caricamento dei bunch p-antip.
• No beam pipe:– Rivelatore nel vuoto– schermato dal fascio con un
sottile foglio di Al.• Collegamenti elettrici con
PCB sigillate mediante O-ring.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 27/70
BTeV – Sistema di tracciamentoRivelatore di vertice a pixel: assemblaggio rivelatore di vertice
Half station
Flex cables
Feedthrough Board
Connectors to Data Combiner Board
Cooling pipe
Test di degasamento nel vuoto fatto con 10% del rivelatore assemblato:• Panelli di Al a –160°C hanno permesso di
raggiungere ~10-9 torr per qualsiasi T delle stazioni di pixel
Cable heat sink
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 28/70
BTeV – Sistema di tracciamentoForward tracker: Straw + SSD
Occupanza delle straw con b-antib
• Rivelazione Ks e • Proiettare tracce nel RICH,
EMCAL, Riv a muoni
• Scelta tecnologica conservativa (CDF/D0 ed esperimenti a LHC):– Straw a grande angolo– Microstrip di silicio vicino
ai fasci
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 29/70
BTeV – Sistema di tracciamentoSMD (Silicon Microstrip detector)
• Readout sparsificato ad ogni bunch crossing.
• Nessuna informazione di carica.
• Sensori:– p/n– 300 m di spessore– 100 m di passo– 7x7 cm2
• Vista assemblata con 4 ladder.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 30/70
BTeV – Sistema di tracciamentoSMD (Silicon Microstrip detector)
• Struttura leggera di C per sostenere i 4 ladder che formano un piano
• Apertura diagonale per montaggio lungo la beam pipe
• Tubi di raffreddamento sul lato posteriore
• 3 viste (x,u,v) per stazione. • Viste sovrapposte e agganciate
mediante pin di bloccaggio ad elevata precisione.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 31/70
BTeV – Sistema di tracciamentoStraw
• Vista di misura a tre strati. • 3 viste (X,U,V) per stazione.• Misura del tempo di drift.
• Diametro straw 4 mm.• Film esterno: kapton.• Strato di Al conduttivo.• Film interno: kapton+C.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 32/70
BTeV – Sistema di tracciamentoEfficienza delle straw
Gas HV Eventi Eff. e-thr
Ar-CO2(80-20) 1300 934 55.2% 10
1350 1446 80.7% 7
1400 3600 92.0% 3
1450 4700 94.7% 2
Ar-Ethane (50-50+1.6%ethanol)
1450 1661 66.8% 10
1500 5489 86.4% 5
1550 1983 95.1% 3
Misure di efficienza dei prototipi di straw costruiti al Fermilab.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 33/70
BTeV – Identificazione di particelleRICH
• L’identificazione di particelle e’ necessaria in un esperimento di fisica del b. • Separare p necessaria tra 3 e 70 GeV.
- Limite inferiore determinato dal magnete- Limite superiore dovuto alla cinematica del decadimento a due corpi del B.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 34/70
BTeV – Identificazione di particelleRICH: radiatore
3 GeV 9 GeV 18 GeV
No separazione K/p sotto 9 GeV nel gas! un 20 radiatore
C4F10 gas n=1.00138
C5F12 liquid n=1.24
Aerogel n=1.03
Particelle cariche assorbite dal magnete
• Aerogel del proposal 2000 scartato dopo accurate simulazioni• C4F10 usato da DELPHI, HERA-B, HERMES, COMPAS, …• C5F12 – usato come gas da DELPHI (punto di eboll. 280C); studiato allo sato liquido nel laboratorio.
11
cos
nCherenkov ---
--- K--- p
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 35/70
BTeV – Identificazione di particelleRICH: layout
Gas Radiator
C4F10
Liquid Radiator
C5F12
s s
HPDsorMAPMTs
MirrorArray
beampipe
PMT tradizionali 3”
Mirror Focused Gas Radiator RICH Proximity Focused Liquid RadiatorRICH
+particle
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 36/70
BTeV – Identificazione di particelleRICH: sensori attivi per radiatore a gas
e
quartz
20.00 kV
19.89 kV
15.83 kV
0 kV
Diodi di Silicio con 163 pixels
Connection pins
3.4” 0pe1pe
2pe
3pe
BTeV HPD
18.0
R5900-M16
R8900-M16
R7600-M16: no outerinsulating layer
• Nuovo Multi-anodo PMT:– nuova focalizzazione sul primo dinodo
– area attiva 85%, 45% in R7600, 36% in R5900
– non c’e’ bisogno di lenti
• Fotodiodi ibridi– Segnale = 5000 e-
– HV = 20kV, 19.89kV, 15.83kV
– Sensibili a Bperp
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 37/70
BTeV – Identificazione di particelleRICH: specchi per radiatore a gas
6 mm glass (4.7% of X0)
2.2 mm glass +CF + foam (2.2% of X0)
CF alone (~1-2% of X0)
Turnov, Czech Republic(COMPASS)Circa la giusta dimensione e curvatura. Buona qualita’.Verra’ usato nel test su fascio del 2003.
CMA, Tuscan, AZCurvatura sbagliata.Piu’ R&D e soldi per prototipi.
Altre tecniche da esplorare:per esempio: specchi Hadesglassy-carbon – “Sigradur”0.8% di X0
Materiale minimo per non degradare lo ECAL.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 38/70
BTeV – Identificazione di particelleRICH: risoluzione angolo Cherenkov
Radiator C4F10 C5F12
n 1.00138 1.24
Per photon
Cherenkov
angle
resolution
Chromatic 0.45 mrad
in visible wavelengths!
3.7 mrad
Emission point 0.53 mrad
mirror tilt
0.4 mrad
Photodetector segmentation
0.45 mrad (cost!)
5.5 mm hex
5.3 mrad
3” round
Total 0.83 mrad 6.2 mrad
Per track Photons 63 12.4
Resolution 0.10 mrad 1.9 mrad
Separation
Mid
momentum
17.835 GeV K/
6.46 GeV K/p
High momentum 4.470 GeV K/
2.89 GeV K/p
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 39/70
BTeV – Identificazione di particelleRICH: Simulazioni
Radiatore liquidoMigliora il tagging effettivo (D2) di ~25% per BS e ~10% per B0
Radiatore a gasPer estrarre da BSDsK bisogna soppirmere BSDs
HPD hits
B0K
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 40/70
BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico
Il calorimetro elettromagnetico deve identificare:• singoli : BK*,… • 0: B ,…• e ’: BsJ/ , BsJ/ ,…• Elettroni: BJ/ Ks, BXll, BXl,…
E’ necessario un calorimetro di elevata qualita’ :
ECAL a Cristalli di PbWO4:
• Tecnologia sviluppata da CMS• Resistenti alla radiazione (10Mrad)• Scintilllazione veloce (15ns 60%)• Lettura con fototubi (B=0)• 11000 cristalli 2.7x2.7x22cm3
• Geometria proiettivaCampione di cristallo PbWO4.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 41/70
BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico : test su fascio a Protvino
Prestazioni simili a quelle del ECAL di CLEO/BaBar/BELLE ad un collisionatore adronico!
5X5 blocchi di PbWO4 di Bogoriditsk usato al test su fascio a Protvino
Prototipo di supporto meccanico di Al (celle in fibra di carbonio come in CMS troppo costose)
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 42/70
BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico : calibrazione
• Confermata resistenza alla radiazione e parziale recupero dopo l’esposizione• Segnale dipendente dal rate• LED con diversi colori usati per periodica calibrazione• Ogni cristallo avra’ le sue curve di calibrazione
(Gy)
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 43/70
BTeV – Identificazione di particelleCalorimetro elettromagnetico : simulazioni Bo
9.9x106 eventi di background
Bo+- S/B = 4.1
Booo S/B = 0.3
o
fondo segnale
mB (GeV) mB (GeV)
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 44/70
BTeV – Identificazione di particelleRivelatore di muoni
r u v
Trigger Trigger
Calibra il trigger Calibra il trigger principaleprincipale
Misura di p “stand-alone”Misura di p “stand-alone”
Efficienza>80%con reiezione di “minimum bias” >500
Stazione di ottanti sovrappostiStazione di ottanti sovrapposti 4 viste per stazione (r, u, v, r)
12 “plank” 12 “plank” per ottanteper ottante
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 45/70
BTeV – Identificazione di particelleRivelatore di muoni: ”plank” di tubi proporzionali
• Modulo (detto “plank”) di due strati di tubi proporzionali (diametro=3/8”, spessore=0.01”).
• Rumore misurato vicino al limite teorico (2 fC)
Plank efficiency > 99%
Gas: 85% Ar – 15% CO2
Plateau from 1.6kV to 1.75kV
Voltage (Volts)Test stand per raggi cosmici
Frazione di eventi con un solo tubo
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BTeV – Trigger e DAQ Architettura
L2/3~2500 Linux PC
1.5 TB/s7.6 MHz
L1 rate reduction: ~100x
L2/3 rate reduction: ~20x
4 KHz
B TeV d etecto r
L 1 m u on
L 1 v ertex
G lo b a lL ev el-1
L evel-1
L ev el 2 /3 C ro ssin g S w itch
D a ta L o gg in g
F ro n t-en d e lec tro n ics
L ev e l-1 B u ffe rs
L ev e l-2 /3 B u ffe rs
In fo rm a tio n Tra n sfer C o n tro l H a rd w a re
IT C H
L evel-2 /3 P rocessor F arm
# 1
# 2
# m -1
# m
RDY
Crossing #N
Req. data for crossing #N
L evel-3 accep t
G L 1 accep t
P IX
> 3 x 1 0 ch an n e ls7
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BTeV – Trigger e DAQTrigger di 10 livello: algoritmo
b
p p
B-meson
Pixel “esterni”Pixel “interni” Segmenti “interni”
Segmenti “esterni”
p p
cm 2.0
6
(GeV/c) 25.0 22
b
b
p
b
T
Evento accettato se 2 o piu’ tracce soddisfano:
Efficienza > 50%Reiezione min. bias 100
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BTeV – Trigger e DAQ Trigger di 10 livello: architettura
30 station pixel detector
FPGA segment trackers
Merge
Trigger decision to Global Level 1
Switch: sort by crossing numbertrack/vertex farm(~2500 processors)
(~500 FPGA)
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BTeV – Trigger e DAQ Trigger di 10 livello: prestazioni prototipo
Velocita’ di esecuzione normalizzata rispetto a DSP TIC6711
1
4
8
13
0 2 4 6 8 10 12 14
Intel Pentium III-M 1.13 GHz
Motorola MPC7400 G4 500MHz
BTeV Proposal
TI C6711 DSP 150MHz
Prototipo di track/vertex farm realizzato con DSP TIC6711
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BTeV – StatusStoria
• Gennaio 1999: programma di R&D approvato dal Lab.• Giugno 2000: approvazione Stage I.
Spettrometro a due bracci.• Inverno 2001: La situazione fondi si deteriora.
Il Lab chiede un proposal per un rivelatore con un braccio.
La RI riusera’ componenti di CDF/D0. Maggio 2002: approvazione Stage I del rivelatore con un
braccio. Un braccio solo strumentato (almeno inizialmente). PAC raccomanda al laboratorio di esplorare altre
soluzioni per la RI. Calcolo offline attraverso universita’ (GRID). Costo ridotto da circa 180M$ a circa $110M.
• Ottobre 2002: Temple review interna al Lab.
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BTeV – StatusFuturo
• Inverno 2002: DOE review mediante commissione P5. – Essenziale per ottenere grossi finanziamenti
• Primavera 2003: Lehman baseline review.• 2004-2008: Fondi per la costruzione.
– Installare componenti di test per aquisire esperienza reale.
– Installazione a stadi per completare la costruzione in anticipo.
• 2008: Inizio presa dati.
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Pixel a FNAL – IntroduzioneMicrostrip e Pixel di silicio
I rivelatori a microstrip hanno avuto un impatto decisivo nella fisica dei quark pesanti:• Misura vita media dello D (CERN, E687-FOCUS a FNAL, …).• Misura vita media del B( LEP,SLD,CDF,D0,…).• Scoperta del quark top a CDF (b-tagging).
Vantaggi microstrip: • Elettronica ai lati• Poco materiale.
Vantaggi pixel:• Punto di misura nello spazio.• Basso rumore (ridotta Cin e Idark).• Resistenza alla radiazione.
I pixel sono essenziali nel tagging dei sapori pesanti (c,b a LHC e al Next Linear Colliner
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Pixel a FNAL – Pixel ibrido
Rivelatore ibrido: matrice di diodi + matrice di celle di elettronica: •Sviluppo e ottimizzazione indipendenti del sensore e del chip di lettura.• Sono richiesti circa 5000 bump-bonding per cm2 per connettere le celle del sensore con le celle di readout (flip chip technique) .
Metalli per il bump: Indio (In) e lega SnPb • Under Bump Metal (Cr, TiW, Cu, Au, …):
• strato di adesione,barriera di diffusione e prevenzione dell’ossidazione
• Caratteristiche del processo di bonding:1. Indio : bump su entrambi i lati, evaporazione, temperatura
ambiente, pressione.2. Lega SnPb: bump su un solo lato, electroplating, alta temperatura,
reflow.
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Pixel a FNAL – Pixel ibridoSensori n+/n/p resistenti alla radiazione
2
2dqNV eff
dep Vdep = potenziale di svuotamento, d=spessore del rivelatore,
= costante dielettrica, Neff = concentrazione portatori maggioritari
21410 cmfluence
type inversionTecnologia n+/n/pFunzionanti parzialmente svuotati dopo l’inversione del tipo di portatori
Struttura multi-guard ringNo corrente di superfice sul cut-edge
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low resistivity high resistivity
SINTEF p-stop ATLAS TESLA mod. p-spray
Pixel a FNAL – Pixel ibridoTecnologia p-stop e pspray
L’isolamento inter-pixele’necessario per interrompere il canale di e- indotto da SiO2
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Pixel a FNAL – Pixel ibridoElettronica di lettura: schema a blocchi
• Registri di mascheramento e iniezione di carica.• 4 timestamp nella logica di colonna.• Architettura a colonna e “data driven” (No trigger).• Serializzatore dati ad alta velocita’
• 1,2,4, o 6 linee• 140 Mbits-1linea-1
• V e I programmabili con DAC sul chip.• Segnali I/O di tipo LVDS
• uscite “point to point” • controlli su un bus comune
• Indirizzamento assoluto usato per programmare il chip.
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Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Prototipi equipaggiati con FPIX0 e FPIX1
FPIX0 64x12cells
8 bit external ADCFPIX1 160x18cells
2 bit internal FADC
•ST1-CiS p-stop•ST2-CiS p-sprayBonded active area 3.2x4.4mm2
•Two ST1-Seiko p-stop•ST2-Seiko p-sprayBonded active area 8x6.8mm2
•1997: FPIX0, HP 0.8 um CMOS– front-end a due stadi, uscita analogica della carica.
•1998: FPIX1, HP 0.5 um CMOS– front-end a due stadi, 2 bit FADC/cella, veloce R/O senza trigger.
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Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Test su fascio 1999
• Test con fascio di pioni a 227 GeV (multi. scatt. 1.2 m).• Ricostruzione nello spazio delle tracce con un Telescopio a microstrip di Si( risoluzione 2 m non deconvoluta dai dati).
Target
3.2 mm X 4.8mm
7.2 mm X 8.0 mm
Interazione ricostruita nei piani di pixel: densita’ di tracce 10 volte superiore a quella di BTeV
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Pixel a FNAL – Risoluzione spaziale Risultati (test su fascio 1999)
FPIX0 pstop (8bit) Qth=2500e-
FPIX0 pspray (8bit) Qth=2200e-
FPIX1 pstop (2bit) Qth=3780e-
Nel caso del sensore p-spray (vecchio tipo) la perdita di carica peggiora la risoluzione spaziale in modo significativo.
La risoluzione si degrada meno di 1 um passando da 8 bit (nominali) a 2 bit.
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Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mMotivazione
In CMOS radiazione ionizzante crea centri di “trapping” per lacune nel SiO2:
– Vth shift.
– ILeakage in un MOS e tra MOS.
Gate sottili: – rimozione lacune per tunnel elettronico quantistico se tox <6nm.
Regole di layout (RD49):– NMOS senza bordo (no MOS parassiti). – NMOS con guard ring (no ILeakage tra MOS).
Caratteristiche di “deep submicron”:– Alta densita’, buona velocita’, basso rumore, bassa potenza, alto yield e basso costo.
eccellente per pixel
Enclosed geometry
Linear geometry
S
G
D
D SG
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 61/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mElettronica di lettura: Front-end
• FE ottimizzato per 132 ns di BCO.• Compensazione DC di Ileakage in DSM.• Flash ADC/cella a 3 bit.
•1999: PreFPIX2_T, matrice 2x160, TSMC 0.25 um CMOS Risposta analogica dell’amplificatore di carica prima e dopo esposizione (33 Mrad) fatta mediante una sorgente di Co60 ad Argonne.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 62/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mTest di radiazione con protoni a IUCF: Setup
•2000: 4 preFPIX2_I, matrice 18x32, CERN 0.25 um CMOS. 5 preFPIX2_Tb, matrice 18x32, 14 x 8 bit DAC, TSMC 0.25 um CMOS.
•2002: Data output interface e LVDS driver, TSMC 0.25 um CMOS.
2.5V Power Supplies
LVDS driver board
Laptop
LVDS driver board
PCI-PTA Card
GPIB
100 foot twisted cable
200 MeV
Protons
Concrete walls
Devices Under Test
• Test fatti in aria.• No filtri.• Flusso=2·1010pcm-2s-2
• 1.5cm beam (90%) misurato con film sensibile• Allineamento Laser • Monitoraggio con video remoto.• Dosimetria :
• Coppa di Faraday • SEEM
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Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mEffetti dose totale: Risultati
Distribuzione del rumore tra celle del chip piu’ irragiato
Distribuzione di soglia tra celle del chip piu’ irragiato
Tutte le 4032 celle testate di Front-End hanno funzionato prima e dopo l’irraggiamento.
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 64/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 m Effetti dose totale: Risultati
Time walk dopo l’irragiamento.
Qover-drive=150e-
TW = 130 ns
Non linearita’ del DAC che stabilisce la soglia del chip per diverse dosi
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 65/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 mSingle Event Effect
Adroni producono particelle secondarie di piccolo range e elevata carica rilasciando una grande energia.
A) Gate Rupture (SEGR): Danneggiamento totale o parziale del dielettrico del gate a seguito di una moltiplicazione a valanga.
B) Latch-up (SEL): Accensione di un MOS (parassita)che produce una elevata corrente.
C) Upset (SEU): Cambiamento di uno stato in corrispondenza di un nodo circuitale sensibile
Bit flip: 1 0
Short Circuit!
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 66/70
Pixel a FNAL – Elettronica CMOS 0.25 m Single Event Effect : Risultati
• Nessun evento catastrofico (gate rupture, latch up…) osservato– Il rate e’ garantito essere accettabile per BTeV.
• Sezione d’urto d’errori logici soft (single event upset) misurata
• da 1 a 6x10-16 cm2bit-1 per registri statici.• circa 2x10-15cm2bit-1 per registri a 140 MHz di clock
Rate di SEU in un ora nello intero rivelatore di vertice a pixel alla luminosita’ nominale di L=2x1032cm-2s-1.
Non c’e bisogno di logica ridondante o altre complicazioni
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Pixel a FNAL – Resistenza alla radiazioneRivelatore rad-hard
preFPIX2Tb
Xray sources [e-] Tb, Ag, Rb
Pulser relative calibration [V] CiS-moderated-pspray
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Pixel a FNAL – StatusSensori a pixel per BTeV
Tesla moderated p-spray• sviluppati dalla collaborazione ATLAS
Il substrato di Silicio e’ ossigenato• Danneggiamento rispetto a protoni diminuisce (ROSE:RD48)
Ogni wafer contiene:• 1 sensori a “4-chip”• 3 sensori a “6-chip”• 3 sensori a “5-chip”• 2 sensori a “8-chip”• 5 sensori a “1-chip”
Ott. 14 2002 G.Chiodini - INFN Lecce 69/70
Pixel a FNAL – StatusFPIX2 chip
• FPIX2 verra’ sottomesso alla fine del mese (Oct. ‘02):– TSMC (Taiwan Semic. Man. Corp.)– 0.25um CMOS, 5 metalli, 2.5V.– Layout “Rad-Hard”.– Dimensioni e funzionalita’
richieste da BTeV.
• La sottomissione e’ basata sugli ottimi risultati dei piccoli prototipi realizzati e testati.
• 1 riga di 70 pad per lo “wire bonding”.
• Numero di identificazione del chip sul modulo fatto con “bond pad” interni.
22 cols by 128 rows
Test outputs
Chip periphery
Internal bondpads for Chip ID
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Conclusioni1. BTeV e’ un esperimento tecnologicamente aggressivo ma fattibile con la
tecnologia esistente.2. Sostanziali R&D sono avviati in tutte le componenti di BTeV, in
particolare in parti cruciali dell’esperimento quali i pixel, il Trigger di 10L e il calorimetro e.m.
3. Test su fascio dei vari rivelatori alla “Meson area” del Fermilab dagli inizi del 2003.
4. Prototipi di rivelatori a pixel, soddisfacenti alle richieste di BTeV, sono stati realizzati a FNAL :
» Elevata risoluzione spaziale.» Resistenza alla radiazione.» Elevata velocita’ di lettura.
• Ora e’ necessario affrontare le problematiche relative alla costruzione ed integrazione di un rivelatore esteso, completo e robusto.
• “Yield” delle sue varie componenti.• Un leggero e retrattile supporto meccanico e di raffredamento da
installare e cablare in alto vuoto.
BTeV aspetta l’approvazione finale dal DOE nel 2003BTeV aspetta l’approvazione finale dal DOE nel 2003