Il progetto P recision P roton S pectrometer 1 Nell’ultimo anno CMS e TOTEM hanno lavorato assieme per proporre un programma di fisica combinato. Questo.

Il progetto Precision Proton Spectrometer

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Nell’ultimo anno CMS e TOTEM hanno lavorato assieme per proporre un programma di fisica combinato.

Questo ha dato luogo alla nascita del progetto CMS- TOTEM PPS, che somma le potenzialità dei due rivelatori

Il Memorandum of Understanding tra le due collaborazioni è in via di definizione, sarà completato nelle prossime settimane.

CMS – TOTEM PPS sarà il primo rivelatore ad offrire una copertura di circa 16 unità di rapidità:

CMS – TOTEM : coverage || < 8

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2015: CMS- TOTEM PPS

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TOTEM Roman Pots (RPs): detect protons scattered from diffractive and photon induced processes

TOTEM T1/T2 tracking stations at very forward angles

CMS Forward Shower Counters (FSC) covering |η| ~ 6-8

CMS full event information |η|< 5

TOTEM T1, T2

TOTEM RPs(220m)

Forward Shower Counters (59-114m)

PPS Physics aide memoire

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CMS - TOTEM Approval steps

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Il nome del progetto…

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PPS: Data Taking Phases

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Phase I (after LS1): low luminosity running (1-10 pb-1 )(no new detectors)

1. Common data-taking using TOTEM in the forward region2. Use cylindrical RP for impedance/detector studies for phase II3. Develop the Movable Beam Pipe for phase II

Phase II (after LS1+ 1-2 years): high luminosity running. (1-10 fb-1 )

1. Replace the TOTEM silicon strips with rad-hard pixel detector2. Insert new timing detectors

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protone

2 pots for Timing2 pots for Tracking

CMS - TOTEM Detector, phase II

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Usare z-by-timing per selezionare il vertice giusto

Scopo del rivelatore:

•Rilevare i protoni in avanti con

precisione ~ 30 micron

•Associarli al vertice giusto

usando z-by-timing, 10 ps

Baseline for Tracking Detectors 2 tracking stations per side, each consisting of 6 silicon detector

layers Each layer: 2x3 module of 3D silicon sensors readout by the

PSI46dig ROC and TBM08 ASICs developed for the CMS phase 1 upgrade

PPS Port Card The design will be derived from Fpix upgrade design, specifically the Pilot Run upgrade detector

Readout controller chip

The use of the digital CHIP read-out chain allows synergy with the tracker upgrade group

The PPS – tracking group: Torino, Genova, FERMILAB, Rio de Janeiro (all CMS members)

Nicolò Cartiglia, INFN, Torino - PPS

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L’IMPEGNO ITALIANODue gruppi italiani coinvolti sul tracciatore e coordinazioneTorino: 3 – 4 FTE Genova: 1 – 2 FTE

Il gruppo di Torino ha lavorato negli ultimi anni allo sviluppo di rivelatori al silicio 3D – pixel

Wire bonding

Lab setup with climate chamber

Laser scan setup

Scheda di test per il chip digitale appena arrivata Support from:

INFN Mechanical lab INFN Electronics labCollaborazione con FNAL and DESY su testbeam

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PPS Pixel tracker Timeline

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• TDR: Sensor design: electrode configuration,

slim/active edge, thickness

• 2014: Dedicated sensor pre-production

• Early 2015: Laboratory and beam tests

• 2015: Final design and production

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Back-up

CMS - TOTEM PPS: l’impegno italiano

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Il gruppo di Torino ha lavorato negli ultimi anni allo sviluppo di rivelatori al silicio in tecnologia 3D – pixel

Questi rivelatori sono al momento la “baseline” del PPS, per installazione nel 2015-6.

FERMILAB sta lavorando all’elettronica di lettura. La baseline del progetto prevede l’utilizzo di PS46Dig.

Il gruppo PPS – tracking è formato dai seguenti gruppi di CMS: Torino, Genova, FERMILAB, Rio de Janeiro.

Accettanza

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Pixel planesTiming

CMS - TOTEM PPS Hardware per 2016

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1) A tracking detector (silicon based) to measure position Position and angle, combined with the beam magnets,

allows to determine the momentum of the scattered proton

2) A timing detector, to measure time. Timing measurement (Cherenkov based) from both sides

allows to determine which vertex the protons are coming from (in events with leading protons on both sides) and reject pile-up (proton from different pile-up collisions)

Pixel planesTiming

WHY 3D SENSORS?

3D interesting features: Low depletion voltage High radiation hardness, also for inhomogeneous irradiation Slim edges, with dead area reduced to ~100 μm

Active edges, with dead area reduced to a few μm Spatial resolution comparable with planar detectors

3D sensors consist of an array of columnar electrodes [r ∼ 5µm] of both doping types which penetrate in the silicon substrate perpendicularly to the surface. Electrode distance and active substrate thickness are decoupled

Wishes for PPS sensors: • Slim edges: dead region < 100 m• Tolerance to inhomogeneous irradiation: > 5 x1015

neq/cm2 close to the beam, much less on the opposite side

Nicolò Cartiglia, INFN, Torino - PPS

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I SENSORI NEL 2014Piano a breve termine (ora – giugno 2014):

Studio delle performance dei sensori 3D letti dal ROC PSI46dig sensori 1E nei wafer prodotti per ATLAS IBL (attualmente a IZM)

Scelta della configurazione degli elettrodi (1E, 2E, 3E, 4E) imminente run di sensori FBK con vari layout ( e slim edge ~100 m))

Piano a lungo termine:

Disegno e preproduzione dedicata di sensori per PPS (estate 2014)

Test sensori preproduzione (laboratorio pre/post irraggiamento e test beam)

Disegno e produzione finale (2015)

16Inter-electrode distance:90 μm (1E), 62.5 μm (2E), 45 μm (4E)

2E scelta favorita al momento, ma 3E ancora da provare

Nicolò Cartiglia, INFN, Torino - PPS

ATLAS IBL RESULTS ON IRRADIATED 3Ds

Main IBL requirements: • Slim edges: dead region < 225 mm• Hit efficiency > 97% after 5 x1015 neq/cm2 of irradiation

Test beam results for a CNM irradiated 3D detector (t = -15 oC):

• Inefficiency at columns(not sensitive areas)• Overall efficiency: 97.5% (99%) at 00 (150)• 150 corresponds to IBLtilt angle

• Slim edge ~ 200 m

Nicolò Cartiglia, INFN, Torino - PPS

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PSI46dig Readout

Nicolò Cartiglia, INFN, Torino - PPS

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PPS port card

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