LHC_Plan

Atlas, Esperimento

I PROGRAMMI DI UPGRADE DI ATLAS PER LA FASE II DI LHC

10 Feb , 2016  

Autori: Giulio Aielli, Alberto Annovi, Davide Boscherini, Marco Bruschi, Marina Cobal, Massimo Corradi, Gian Franco Dalla Betta, Nanni Darbo, Biagio Di Micco, Claudia Gemme, Paola Giannetti, Vincenzo Izzo, Valentino Liberali, Giovanni Maccarrone, Paolo Morettini,  Andrea Negri,  Chiara Roda, Fabrizio Scuri,  Francesco Tartarelli, Clara Troncon, Riccardo Vari

Il programma sperimentale del Large Hadron Collider (LHC) prevede periodi di funzionamento del collisore – tipicamente di tre anni – durante i quali i dati vengono acquisiti, intervallati con periodi di potenziamento (Long Shutdown: LS1, LS2, LS3) del sistema d’accelerazione dei protoni e delle prestazioni del rivelatori che effettuano le misure di fisica, tra i quali ATLAS. Questi periodi  hanno una durata di uno o più anni. L’ attuale pianificazione temporale è mostrata in Figura 1.

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Figura 1: Schema temporale delle attività di presa dati e sviluppo del collisore pp e dei rivelatori.

Nel 2015 LHC è ripartito con una energia dei fasci pari a 6.5  TeV,  con un incremento quindi del 60% rispetto all’energia di 4 TeV che è stata utilizzata nel precedente run (Run1) di LHC.  Obiettivo del long shutdown LS2 è raddoppiare la luminosità istantanea della macchina e, contemporaneamente, portare l’energia dei fasci al valore di progetto di 7 TeV. Un ulteriore importante upgrade dell’acceleratore avverrà con il long shutdown LS3 (attualmente previsto dal 2024 fino alla metà del 2026), che porterà la luminosità a un valore quasi 10 volte superiore a quello ottenuto alla fine della presa dati del Run1. L’aumento della luminosità integrata è essenziale per permettere l’osservazione di fenomeni rari, come i segnali previsti da estensioni del modello standard delle particelle elementari, e per studiare in maggior dettaglio quelli già osservati, come il bosone di Higgs o eventuali nuovi stati che potrebbero manifestarsi nel corso del run in corso (Run2). Tuttavia, ad agni aumento di luminosità, aumenta la quantità e la complessità dei dati prodotti dall’esperimento. Ciò rende necessaria l’implementazione di importanti miglioramenti all’apparato sperimentale,  in particolare ai rivelatori, all’elettronica di lettura e alle risorse di calcolo.

Inoltre, essendo impossibile salvare su disco i dati raccolti ad ogni collisione a causa dei costi coinvolti e dei problemi tecnologici legati ai tempi di risposta dell’elettronica di lettura,  il sistema di selezione dati in tempo reale (trigger) dovrà essere in grado di identificare eventi più rari in condizioni più complesse:  verrà pertanto anch’esso  potenziato insieme al collisore e al rivelatore.

Per tutti questi motivi, durante LS2 (anche denominato “upgrade di fase 1”) verrà migliorata l’elettronica per la selezione dei dati in tempo reale e verranno sostituiti e aggiunti rivelatori allo spettrometro muonico, nelle zone in cui il flusso di particelle non sarà più gestibile dai rivelatori attuali. Durante LS3 (“upgrade di fase 2”), quasi tutta l’elettronica andrà sostituita, la selezione e l’acquisizione dati andranno rifatte, ma l’impegno più gravoso sarà la sostituzione del tracciatore interno con uno di nuova concezione, basato interamente su tecnologie a semiconduttori innovative.

Nel seguito sono descritte brevemente le attività in cui la comunità italiana è maggiormente coinvolta.

Upgrade di Fase 1 (LS2)

FTK – Ricostruzione tracce in tempo reale

(http://atlasftk.uchicago.edu)

Sezioni coinvolte: Frascati, Milano, Pavia, Pisa

La ricostruzione in tempo reale delle traiettorie (tracce) permette di selezionare efficientemente, e in tempo reale, gli eventi interessanti fra tutti quello prodotti ad LHC, in quanto fornisce informazione precisa e dettagliata su tutte le particelle cariche prodotte dalla collisione protone-protone. Tuttavia è anche l’algoritmo di trigger computazionalmente più impegnativo e per questo ha motivato lo sviluppo – su proposta iniziale dell’INFN – di un processore dedicato, chiamato Fast TracKer (FTK), che, combinando logiche programmabili (FPGA) di ultima generazione, un ASIC realizzato in tecnologia a 65 nm e schede elettroniche dedicate, permetterà la completa ricostruzione delle tracce per una frequenza di eventi di 100 kHz, con risoluzione e numero di false tracce tipiche degli algoritmi di analisi, in quanto sfrutterà tutte le potenzialità del rivelatore di silicio. La latenza sarà dell’ordine dei 100 microsecondi. L’ASIC ha il compito di identificare le tracce candidate a bassa risoluzione (pattern recognition) mentre l’FPGA scarta le false candidate e misura i parametri delle tracce con la massima risoluzione fornita dal rivelatore.

FTK è finanziato dalla comunità europea tramite il progetto FP7-People-IAPP-2012,  il cui obiettivo principale è lo sviluppo delle schede che eseguono il riconoscimento dei patterns, e la loro evoluzione futura per essere usate in nuove applicazioni come,  ad esempio, l’emulazione delle capacità cerebrali per il riconoscimento di immagini. Il processore FTK è in fase di finalizzazione e  la sua messa in funzione è prevista durante la presa dati del 2016.

Lar – Upgrade del Calorimetro ad Argon Liquido

Sezioni coinvolte: Milano

Per aumentare le potenzialità del calorimetro ad Argon liquido di ATLAS durante la fase a più alta luminosità, è prevista l’installazione di una nuova elettronica con l’obiettivo di fornire alla logica di trigger informazioni con granularità e risoluzione maggiori. Le informazioni includeranno anche i segnali raccolti dai tre strati longitudinali del calorimetro. Questo permetterà di migliorare l’efficienza di selezione di elettroni, fotoni, leptoni, getti e energia trasversa mancante, migliorandone la discriminazione rispetto al fondo.

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Figura 2: Granularità del trigger calorimetrico del Liquid Argon attuale (a sinistra) e dopo l’upgrade di Fase 1 (a destra)

La realizzazione di questo upgrade prevede la sostituzione di tutti gli attuali baseplane (circuiti stampati che forniscono le interconnessioni fra le schede) dei crate della elettronica di front-end con nuove unità che permettano il passaggio di un numero maggiore di segnali. Negli stessi crate, sarà installata una nuova scheda di trigger che è attualmente in via di sviluppo. I segnali digitalizzati in questa scheda saranno inviati tramite fibre ottiche ad una scheda di processamento (basata su logiche programmabili FPGA) per essere convertiti in energie calibrate che sono successivamente  inviate al sistema di trigger.

Il gruppo di Milano sta progettando uno dei cinque tipi di baseplane (circuiti stampati multistrato) necessari. I nuovi baseplane avranno una struttura più complessa rispetto a quelli attuali per poter gestire un maggiore numero di segnali. Dovranno implementare un elevato numero di interconnessioni tra:  uscite analogiche della scheda di front-end, la nuova scheda di trigger e i segnali in ingresso alla vecchia scheda di trigger, al fine di mantenere la compatibilità con il sistema attuale.

Il gruppo sta anche disegnando la sezione di alimentazione della nuova scheda. A partire dalle tensioni di alimentazione già disponibili, la scheda implementerà localmente la produzione delle tensioni addizionali necessarie per la nuova elettronica. Allo scopo verrano utilizzati convertitori DC-DC di tipo POL (Point-Of-Load) e regolatori lineari. I componenti selezionati, oltre a garantire la potenza necessaria, dovranno essere resistenti alle radiazioni e in grado di operare in campo magnetico. Andrà inoltre accuratamente progettata la struttura dissipativa della potenza sviluppata.

Nel 2014 un prototipo di questo nuovo trigger è stato installato in uno dei 16 crate della parte barrel del calorimetro elettromagnetico per essere operativo durante il RUN 2 di LHC. Scopo del prototipo è studiare le condizioni di funzionamento del nuovo sistema e validare i nuovi algoritmi di selezione con dati reali.

Spettrometro per Muoni

Sezioni coinvolte: Bologna, Cosenza, Frascati, Lecce, Napoli, Pavia, Roma1, Roma2, Roma3

NSW

Lo spettrometro per la misura dei muoni prodotti nelle collisioni protone protone a LHC è una parte fondamentale dell’intero apparato sperimentale. L’identificazione e la misura dell’impulso dei muoni, infatti, sono utilizzate in molte delle analisi che  ricercano segnali di nuova fisica.

Durante la presa dati del Run-1, che ha portato alla scoperta del bosone di Higgs, è stato osservato che, nella zona dello spettrometro denominata “in avanti” (ovvero con angoli tra la direzione dei fasci e quella di uscita delle particelle tra 10 e 30 gradi),  oggetti identificati come muoni dal primo livello di trigger presentavano una notevole contaminazione di particelle di fondo prodotte dai fasci stessi. L’elevata produzione  di tali particelle comportava la saturazione del rate riservato ai trigger muonici rendendo necessaria l’applicazioni di criteri di identificazione più selettivi, i quali comportavano una notevole perdita di efficienza.  In assenza di interventi di upgrade, con gli aumenti di luminosità previsti durante la Fase 1, il problema si aggraverebbe a tal punto da rendere inutilizzabili i trigger muonici nella zona in avanti.

Il progetto New Small Wheel (NSW) mira alla sostituzione dei due piani interni dello spettrometro nella prima delle tre stazioni di misura nella zona in avanti, in cui la traiettoria in campo magnetico viene ricostruita e l’impulso dei muoni misurato.

Nella NSW saranno presenti due diverse tipologie di rivelatori: le MicroMegas (MM) e le small-strips Thin Gap Chambers (sTGC). Nonostante entrambi i tipi di rivelatori abbiano potenzialità sia di tracciamento che di selezione degli eventi online (trigger), le MM sono mirate a fornire prioritariamente il tracciamento di precisione, mentre le sTGC il trigger.

Attraversando la NSW ogni singolo muone intercetterà 16 volumi di gas attivi (8MM + 8 sTGC) e quindi nella ricostruzione offline avremo ben 16 punti spaziali disponibili, un numero che ha un buon livello di ridondanza necessario a contrastare l’elevato flusso di particelle di fondo presenti in quella zona dell’apparato.

Gli istituti INFN coinvolti (Cosenza, Lecce,  LNF, Napoli, Pavia, Roma1, Roma3) si sono assunti la responsabilità di costruire una parte (circa 1/4) dei rivelatori MM. Gli altri siti di costruzione sono dislocati in Francia, Germania, Grecia e Russia. I principi di funzionamento delle MM sono illustrati nell’appendice 1.

Il progetto si trova attualmente in uno stato molto avanzato: la fase di progettazione è di fatto ultimata. Nei primi mesi del 2016 il gruppo italiano realizzerà per primo (rispetto agli altri tre siti di produzione) un Modulo 0, ovvero un prototipo completo, conforme ai disegni finali, che verrà usato per la validazione del sito di produzione. L’inizio della produzione è previsto per la fine del 2016, per lasciare il tempo sufficiente a finalizzare gli ordini di tutti i pezzi necessari.

Nella costruzione, infatti, verrà fatto largo uso  di componenti realizzati industrialmente, grazie al trasferimento tecnologico del know-how di base alle industrie interessate. Il ruolo dei gruppi INFN sarà quello di assemblare il tutto e di metterlo in funzione. Da quest’attività è prevedibile un buon livello di ricaduta economica sul territorio italiano.

BIS78

Il progetto delle camere BIS78 si propone di migliorare la selettività del trigger per muoni nella regione intermedia fra la parte centrale e le parti in avanti dello spettrometro, zona non coperta dai rivelatori delle New Small Wheel. Tale regione è attualmente caratterizzata da un elevato tasso di contaminazione di falsi candidati muoni dovuto a particelle cariche prodotte in interazioni secondarie dei protoni dell’alone del fascio con elementi dei magneti.

Senza azioni correttive questi falsi candidati impiegherebbero il 22% del flusso di dati totale ipotizzabile per i muoni dopo LS2. Per ridurre di un fattore 10 questo contributo e recuperare quindi banda passante per circa il 20% di buoni candidati, verranno aggiunte 32 camere RPC composte da un triplo strato di rivelatori RPC di nuova generazione, capaci di sostenere l’elevato flusso di particelle atteso in quella regione. Anche l’elettronica, sia analogica che digitale, sarà di nuova generazione, con un notevole aumento del rapporto segnale/rumore.

Un intenso programma di ricerca e sviluppo finalizzato a questo scopo è già in corso da alcuni anni.

A causa del limitato spazio disponibile per l’installazione delle nuove camere RPC, il progetto prevede la sostituzione delle corrispondenti camere di tracciamento realizzate con tubi di drift con diametro 3 cm, con nuove camere con tubi di diametro 1.5 cm. Ciò permetterà di acquisire un flusso di particelle più elevato.

Trigger

I gruppi di Roma1 e Napoli sono anche responsabili del progetto e della realizzazione  dei futuri sistemi di trigger per i buoni con gli sTGC nella NSW e con gli RPC nelle BIS78 (oltre che del sistema di trigger con gli RPC nel barrel attualmente in funzione). I nuovi sistemi e l’aggiornamento di parte del sistema RPC nel barrel miglioreranno le prestazioni di selezione dei muoni, aumentando la reiezione di eventi non interessanti.

AFP

AFP (ATLAS Forward Proton) è uno spettrometro composto da due bracci installati a circa 210m dal vertice di interazione di ATLAS (IP).  Approvato ufficialmente nel giugno 2015. L’installazione del primo braccio è attualmente in corso in modo che AFP possa iniziare a funzionare nel 2016. Il completamento del rivelatore è previsto durante l’interruzione invernale 2016-2017.

Il suo scopo è quello di identificare e analizzare urti di tipo diffrattivo in cui almeno uno fra i protoni emerge viaggiando quasi parallelo alla linea di fascio di LHC. Ciascun braccio di AFP è composto da due stazioni traccianti separate da una distanza di circa 8m l’una dall’altra attorno all’IP. Le stazioni sono  contenute in elementi della linea di fascio chiamati “Roman Pot” (RP) che permettono sia il posizionamento del rivelatore a circa 2mm dalla linea di fascio (durante la presa dati), che la ritrazione (durante le fasi di iniezione o di beam dump).

Il programma di fisica iniziale riguarda lo studio di processi diffrattivi in run speciali a bassa luminosità. Poiché la maggior parte di questi processi ha sezioni d’urto (cioè probabilità di produzione) non piccole, risultati di fisica diffrattiva possono essere conseguiti con poche settimane di presa dati dedicate a queste misure durante il Run 2 di LHC.  Tra questi, si devono menzionare risultati di soft QCD, come lo studio dell’“underlying event” in urti fortemente inelastici (“hard scattering”), gli studi di produzione diffrattiva, in regime di hard scattering, di bosoni W e Z e gli studi di produzione soft e hard di Pomeroni per l’analisi della loro struttura in termini di quark e gluoni e test del meccanismo di interazione Balitskii-Fadin-Kuraev-Lipatov (BFKL).

Di particolare interesse sono i processi di scambio di doppio Pomerone (DPE) con due protoni prodotti in direzioni opposte rivelati da AFP e un paio di jet prodotti nel rivelatore centrale.

Se il funzionamento del rivelatore nel fascio di LHC in condizioni di run normali verrà ritenuto stabile e affidabile, ad alta luminosità l’identificazione dei protoni in avanti aprirà la strada a interessanti studi in regime di produzione centrale esclusiva, eventi in cui tutta l’energia persa dai due protoni si ritrova nei prodotti rivelati centralmente in ATLAS. La richiesta che l’energia misurata nel rivelatore centrale sia compatibile con l’energia misurata in AFP, costituisce un potente metodo di soppressione del fondo associato alle interazioni di pile-up. In queste condizioni AFP darà accesso a studi su accoppiamenti di gauge anomalo, che potrebbero portare a scoperte di nuova fisica. Per questi studi, l’alto livello di “pile-up” di protoni in AFP potrà essere grandemente soppresso sia mediante il taglio di esclusività precedentemente descritto, che grazie a un rivelatore di timing, installato assieme a una stazione di tracciamento nelle due  RP più lontane dall’ IP,  capace di raggiungere una risoluzione temporale di circa 10 ps, permettendo una ricostruzione online del vertice di interazione con precisione di circa 2 mm.

Da sottolineare il fatto che AFP aumenta il potenziale di Fisica della Fase II rispetto alla Fase I consentendo di effettuare questo tipo di misure.

Upgrade di Fase 2 (LS3)

Upgrade del Sistema di Selezione e Acquisizione Dati (TDAQ)

Sezioni coinvolte: Pavia

Nell’ambito del sistema di Trigger/DAQ il previsto aumento di luminosità e di pile-up comporta sia un sensibile aumento della banda dei dati ad ogni livello di trigger che crescenti difficoltà nell’estrazione dal fondo degli eventi interessanti. Ad alta luminosità le attuali strategie non garantiscono la necessaria efficienza sul segnale e la contemporanea selettività sul background. A tal fine, la tendenza generale è uno spostamento a monte delle tecniche di selezione caratteristiche di ogni livello di trigger; per esempio l’utilizzo al L1 delle informazioni ad alta granularità sullo sviluppo spaziale degli sciami calorimetrici oppure la massiccia adozione degli algoritmi offline nelle farm di HLT.

L’architettura DAQ/HLT è già in gran parte basata su soluzioni commerciali e la tendenza è ridurre ulteriormente l’utilizzo di componenti custom, che saranno necessarie solo negli elementi caratterizzati da funzionalità peculiari o in ambienti di lavoro ad alte radiazioni. Al fine di permettere l’utilizzo di componenti commerciali nelle fasi iniziali della catena DAQ, è in fase di sviluppo un dispositivo multifunzionale di indirizzamento e trasmissione dati (FELIX) che verrà integrato in ATLAS a partire dal Run 3.

È difficile prevedere le tendenze dello sviluppo tecnologico sulla scala dei tempi di questo ultimo upgrade. Sul fronte della rete, si stima che i miglioramenti tecnologici permetteranno non solo di soddisfare il previsto aumento della banda passante dei dati, ma apriranno la possibilità di eseguire la fase di event building al rate di  selezione del primo livello. Per quanto riguarda la farm di processamento, continuerà la sostituzione progressiva dei nodi installati da più di cinque anni con ulteriore aumento della eterogeneità del sistema. Sebbene il campo sia caratterizzato da sviluppi tecnologici rapidi e poco prevedibili, la tendenza generare è il costante incremento del parallelismo, sia a livello di aumento del numero di CPU-core per nodo che nell’eventuale adozione di coprocessori dedicati, che potranno essere integrati o meno nel processore principale. Per permettere il pieno sfruttamento di tali tipi di parallelismo è in fase di design un nuovo framework di analisi per il Run 3. Sarà sviluppato in stretta collaborazione dalle comunità online ed offline per permettere la trasparente migrazione degli algoritmi tra i due ambienti. Per quanto riguarda la gestione del flusso dei dati, non sono in programma rivoluzioni tecnologiche per il Run 3, ma l’evoluzione successiva dipenderà oltre che dallo sviluppo tecnologico anche dalle funzionalità e prestazioni del framework di analisi suddetto.

Upgrade del Trigger di Traccia

Sezioni coinvolte: Milano, Pisa

Il costo computazionale necessario per ricostruire le tracce dell’esperimento si acutizzerà fortemente durante la Fase-2. Ad oggi il processamento offline è in grado di ricostruire 1 milione di tracce al secondo, mentre nella Fase-2 sarà necessaria una velocità di processamento offline di 60 milioni di tracce al secondo, a causa dell’aumento delle informazioni registrate dai rivelatori e della frequenza di scrittura di eventi su disco. Un fattore 60 non può essere recuperato facilmente in 10 anni dall’incremento di potenza di calcolo delle CPU o dal loro numero, pertanto sarà necessario l’impiego di tecnologie non convenzionali. Per sfruttare con successo le performance finali dell’acceleratore, dopo il terzo “long shutdown” sono previsti quindi ulteriori upgrade del trigger di traccia.

Il Fast Tracker verrà potenziato con logiche programmabili e ASIC di nuova generazione (FTK++). Esso infatti, ad oggi, è in grado di ricostruire 40 milioni di tracce al secondo mentre FTK++ sarebbe in grado di processare 300 milioni di tracce al secondo. Obiettivo dello sviluppo è riuscire a mantenere un’efficienza del 99%. Inoltre verrà anche aggiunto un ulteriore sistema, denominato L1Track, in grado di ricostruire tracce con latenze dell’ordine di 10 microsecondi.

Per rendere possibile la realizzazione di questi due processori è stata avviata un’attività di ricerca e sviluppo volta ad identificare le tecnologie più adatte e iniziarne lo sviluppo. In particolare si prevede che il sistema utilizzerà ASIC realizzati in tecnologia 28 nm ed un primo prototipo è in fase di realizzazione.

Upgrade del Tracciatore Interno

Sezioni coinvolte: Bologna, Cosenza, Genova, Lecce, Milano, Trento, Udine

Il tracciatore interno ora composto da rivelatori al silicio (pixel e microstrip) e a gas (TRT – Transition Radiation Tracker) sarà sostituito da uno completamente basato sulla tecnologia al silicio.

In particolare la superficie coperta dai rivelatori a pixel sarà più che raddoppiata, il rivelatore dovrà resistere a danni da radiazione e data rate che saranno fino a un ordine di grandezza superiore a quelli del Run 1.

Per mettere a punto le nuove tecnologie i gruppi italiani stanno partecipando a progetti di ricerca e sviluppo, finanziati dalle Commissioni Scientifiche Nazionali 1 e 5 dell’INFN. Tra le tecnologie in sviluppo ci sono i sensori 3D in collaborazione con la Fondazione Bruno Kessler di Trento, i sensori a pixel in tecnologia HV-CMOS con la ST-Microelectronics di Agrate e interconnessioni elettriche ad alta densità (40000 per cm2) con la Selex ES di Roma.

Un altro sviluppo portato avanti dalla comunità italiana, insieme a collaboratori internazionali di ATLAS e CMS, è il chip di lettura per il rivelatore a pixel in tecnologia CMOS a 65 nm avente mezzo miliardo di transistor.

Upgrade del Calorimetro ad Argon Liquido

Sezioni coinvolte: Milano

  Per la fase a più alta luminosità di LHC, HL-LHC, è prevista la sostituzione di tutta l’elettronica del calorimetro ad argon liquido, realizzata a suo tempo con tecniche ormai obsolete, sempre più difficile da riparare in caso di problemi e non in grado di resistere alla dose di radiazioni dell’HL-LHC. La nuova elettronica inoltre dovrà soddisfare le richieste imposte dalla nuova architettura di trigger, necessaria per sfruttare al meglio l’altissima luminosità. Allo scopo si prevede di digitalizzare sul front-end (l’elettronica sul rivelatore) tutti i canali separatamente, invece di effettuarne la somma prima della digitalizzazione, come avviene attualmente. Tutti i dati, alla stessa granularità del rivelatore, verranno poi mandati al back-end (l’elettronica lontana dal rivelatore) alla frequenza di collisione di 40 Mhz, a disposizone dei processori di trigger, per l’esecuzione di algoritmi di selezione molto più sofisticati degli attuali e simili a quelli usati nell’offline.

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Figure 1: Schema della nuova elettronica di front-end del calorimetro ad argon liquido.

Andranno quindi sostituite le circa 1500 schede di front-end (FEB) con nuove schede instrumentate per le funzioni di amplificazione del segnale, formatura, digitalizzazione dei dati e invio tramite fibre ottiche alle schede di back-end. Queste ultime, basate su potenti FPGA, effettueranno un pre-processamento dei segnali prima di inviarli all’elettronica di trigger. Il gruppo di Milano è interessato a sviluppare lo schema di distribuzione di potenza per le nuove FEB. Questo include sia lo sviluppo di nuovi alimentatori a bassa tensione (la nuova elettronica farà uso di tensioni diverse rispetto a quella presente) che la distribuzione di potenza sulle nuove schede di front-end (test e selezione dei componenti, Point-Of-Load e regolatori lineari, e la progettazione del layout della scheda). Il gruppo di Milano è anche interessato a sviluppare nuovi algoritmi da utilizzare a livello di trigger (da implementare su FPGA) per studiare come sfruttare al meglio le maggiori informazioni che saranno disponibili nella Fase 2.

Upgrade del Calorimetro a Tile

Sezioni coinvolte: Pisa

Durante LS3, per il calorimetro adronico a tile (mattonelle = tile, di scintillatori) andranno sostituite l’elettronica di lettura e di trigger, e l’elettronica analogica di alimentazione dei fotomoltiplicatori, con cui i segnali luminosi prodotti dalle particelle negli scintillatori vengono convertiti in segnali elettrici e amplificati.

Per questo motivo, a Pisa è stata allestita una stazione di test per determinare la stabilità a lungo termine della risposta dei fotomoltiplicatori simulando, mediante eccitazione con impulsi laser prodotti in laboratorio, le situazioni di sollecitazione a cui saranno sottoposti nelle condizioni di energia e di intensità dei fasci dell’acceleratore LHC. Il comportamento dei fotomoltiplicatori viene controllato in termini di stabilità dell’amplificazione e di linearità di risposta in funzione dell’intensità luminosa ricevuta.

Il laboratorio verrà successivamente equipaggiato con prototipi della nuova elettronica di amplificazione e digitalizzazione dei segnali dei fotomoltiplicatori, prototipi progettati per il trasferimento ad altissima frequenza del volume di dati che saranno acquisiti in futuro.

Parte integrante delle attività sarà anche lo studio della risposta dei fotomoltiplicatori in funzione della dose di radiazione ricevuta, equivalente a quella delle condizioni di operazione a LHC.

Upgrade dello Spettrometro per Muoni

Sezioni Coinvolte: Bologna, Napoli, Roma 1, Roma 2

L’attuale sistema per la selezione al primo livello dei muoni nella regione centrale di ATLAS non ha prestazioni sufficienti per poter operare anche dopo l’upgrade di fase-2 di LHC, a causa della maggiore frequenza di eventi e del più lungo intervallo temporale che gli algoritmi impiegheranno per decidere se accettare o rigettare gli eventi. Per questi motivi, l’elettronica di trigger, oggi montata direttamente sul rivelatore, sarà sostituita con schede che non processeranno più le informazioni dal front-end delle camere ma le invieranno direttamente in sala conteggio dove sarà collocata l’elettronica con la logica di selezione degli eventi. Nuovi algoritmi di trigger sono allo studio e saranno provati su schede di test nel 2016. Tuttavia ci sono anche altri aspetti critici da affrontare, dato che il rivelatore di trigger, nella parte centrale dello spettrometro per muoni di ATLAS, è basato sulla tecnologia RPC (“Resistive Plate Chamber”) ed è stato progettato per operare alla luminosità “nominale” di LHC. Il programmato superamento di un fattore 7 di tale parametro renderà necessario un aumento della ridondanza del rivelatore (ovvero del numero di campionamenti lungo la traiettoria), in modo da mantenere l’efficienza di ricostruzione delle tracce richiesta, aumentare la copertura spaziale, e sostenere  la radiazione di fondo di LHC fase-2. La proposta è  di inserire nuove camere RPC nello strato più interno della regione barrel dello spettrometro per muoni, attualmente equipaggiato con solo camere di tracciamento. Un vasto programma di ricerca e sviluppo è stato lanciato congiuntamente all’esperimento CMS (che ha problematiche analoghe) per progettare una nuova generazione di rivelatori RPC con prestazioni superiori a quelli attuali ed in grado di soddisfare le richieste per il trigger per muoni di fase-2. Tale programma prevede la realizzazione di nuova elettronica di front-end con un notevole miglioramento del rapporto segnale/rumore, nuovi volumi di gas di spessore, peso e tensione di lavoro ridotti. Inoltre, si studieranno nuove miscele di gas per sostituire quella usata attualmente, in quanto essa è un gas che ha un forte impatto sull’effetto serra.

Appendice 1

Principio di Funzionamento delle MM

Nei rivelatori MM, come in ogni rivelatore a gas, si sfrutta il fenomeno della ionizzazione dei materiali da parte delle particelle cariche. Una particella carica, nel nostro caso un muone, attraversando la materia, nel nostro caso un gas, crea per via del processo di ionizzazione un certo numero di coppie elettrone-ione. Queste particelle, in presenza di un campo elettrico, si muovono in direzioni opposte: gli elettroni verso l’anodo e gli ioni verso il catodo: i terminali che generano il campo elettrico. Per poter osservare il segnale elettrico generato dalla migrazione di cariche è necessario indurre un processo di amplificazione che avviene quando gli elettroni sono in presenza di campi elettrici molto elevati. Infatti, in tal caso, gli elettroni acquistano rapidamente l’energia sufficiente a creare nuove coppie elettrone-ione in urti secondari, creando quello che in gergo si chiama effetto valanga, ovvero una moltiplicazione delle coppie elettrone-ione, con fattori tipici di dieci-cento mila coppie per ogni elettrone prodotto nella ionizzazione primaria.

Nei rivelatori MM le due fasi precedentemente descritte, ionizzazione e moltiplicazione, sono molto ben definite e distinte anche da un punto di vista spaziale all’interno del volume di gas attivo. La ionizzazione avviene in un primo volume compreso tra due superfici poste a una distanza di circa 5 mm con una differenza di potenziale dell’ordine di centinaia di volt, condizioni in cui la moltiplicazione non avviene.

Le due superfici sono realizzate in modo diverso:

– quella a potenziale negativo maggiore (e che quindi allontana gli elettroni che si formano al passaggio del muone nel gas) è una semplice superficie ramata attaccata ad un materiale composito isolante, prodotta con le tecniche standard di realizzazione dei circuiti stampati:

  • quella che riceve gli elettroni, elettricamente a massa, è costituita da un tessuto di acciaio (griglia) di fili intrecciati di dimensioni tipiche di 30-50 micrometri, con interspazio tra le maglie all’incirca dello stesso ordine.

Un elettrone ad una distanza dalla griglia molto maggiore della dimensione dei fori, è soggetto ad un campo elettrico equivalente a quello generato da una superficie uniforme. Il campo elettrico lo spinge verso la griglia, fino a quando l’elettrone si trova in una regione di spazio dove  il campo elettrico è influenzato dalla presenza dei fori.

Oltre la griglia, ad una distanza dell’ordine di 100 micron, sono presenti strisce di rame, anch’esse attaccate ad un supporto isolante con la stessa tecnica utilizzata per la produzione dei circuiti stampati. Il volume di amplificazione è definito dallo spazio tra la griglia e il piano delle strisce. Le strisce sono ad un elevato potenziale elettrico positivo, che attrae gli elettroni e produce il processo di amplificazione. Si forma quindi un segnale elettrico veloce sulle strisce interessate che viene poi usato per ricostruire il punto di passaggio del muone.

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