Maurizio BiasiniUniversità di Perugia
Riunioni Gruppo 1 –Perugia31 Marzo 2003
Maurizio BiasiniUniversità di Perugia – I.N.F.N. Perugia
The CMS Silicon Strip Trackeror ....
The CMS-Perugia group
Riunione Gruppo 1 locale Perugia 31 Marzo 2003
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Outline• The CMS Silicon Strip Tracker
– Layout and expected Performances– CMS silicon sensors technology– Organization and status of construction
• Overview of Perugia Activities– Hardware (silicon test, module assembly,optohybrid)– Software (Btag, JetReco)– Trigger (High Level B-Trigger)– Physics (ttH, Hàhh, nu-less Tau Decays)– MonteCarlo Production– Other Activities(DataBase, Testbeam)
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The CMS Detector
Wide range of physics accessible at the Large Hadron Collider
Powerful and robust tracking system inside strong magnetic field
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Physics Reach with CMS at LHCCMS,
L=100 fb-1
-
B.R
.
b bbarτ+τ-
c cbarggW+W-
ZZγγZγt tbar
Mh100 200 500
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The CMS Tracker: Expectations
• Good reconstruction efficiency for high pt particles: 95% for isolated tracks and 90% for tracks in jets
• Momentum resolution for high ptisolated tracks: δpt/pt ≈ (15pt⊕0.5)%(pt in TeV) in the central region
Muon momentum resolution (including muon chambers) better than 10% up to 4 TeV in the whole region η < 2
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The CMS Tracker: Other Expect.Other stringent requirements:
•Operation in the harsh radiation environment of the LHC
•Minimize the material budgetin front of calorimeter
•Construction of a large scale detector (budget constraints, industrial production, automation of testing and assembling procedure, …)
•Layout optimisation
•Choice of technology
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Layout of the Silicon Strip Tracker
•4 layers in TIB
•6 disks in TID
•6 layers in TOB
•18 disks in TEC24 m3 kept at a temperature of –10 ºC
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Layout of the Silicon Strip Tracker
Thin sensors: 320 µm, 1 sensor per moduleThick sensors: 500 µm, 2 sensors per moduleDouble layers with back to back detectors
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SST: Numerology6,136 thin sensors
18,192 thick sensors
6,136 thin detectors (1 sensor)9,096 thick detectors (2 sensors)
3,122 + 1,512 thin modules (ss + ds)5,496 + 1,800 thick modules (ss + ds)
9,648,128 strips ≡ electronics channel
75,376 APV chips subµ
25,000,000 bonds
440 m2 of silicon wafers210 m2 of silicon sensors
14 sensor geometriesStrip length ranges from 9 to 21 cmPitch ranges from 80 to 205 µm
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Performances: Efficiency
Track reconstruction efficiency in jets
Detailed Simulation and Reconstruction Programs
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Performances: Pt Resolution
-0.1 -0.05 0 0.05 0.10
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Lvl-3
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
σσ=1.5%=1.5%
σσ=10.6%=10.6%Lvl-2
Inclusion of Tracker in Lvl-3Muon Trigger
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Silicon sensors technologyMain concern: Radiation Damage10 years of LHC will give a fluence in the Inner Tracker of 1.6×1014 1MeV eq. n/cm2
Radiation damage
Bulk effects:
•Increase of leakage current ⇒ noise•Increase of depletion voltage ⇒ breakdown risk•Decrease of charge collection ⇒ signal
Surface effects:
•Increase of interstrip capacitance ⇒noise
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Sensors R&D programExtensive R&D programs in the past years to investigate:
• sensor type (double side, single side, p+ on n, n+ on n, …)• geometry (metal overhang, multi-guard, strip width, ratio width/pitch, ...)• substrate (resistivity, crystal orientation, oxygenation, …)
( simulations, irradiations, electrical characterizations, test-beams, …)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 5E+13 1E+14 1.5E+14 2E+14 2.5E+14 3E+14 3.5E+14
Fluence (1 MeV eq.) n/cm^2
Deple
tion v
oltage (
V) low res.
high res.
Example:Low resistivity (1.5-3.0 kΩ cm)
lower depletion voltage
extra safety margin with respect to the breakdown.
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CMS silicon sensor
• Single sided p-type strips on n-type substrate• Integrated AC coupling of read-out strips• Polysilicon resistor biasing of the p+ implant strips• Low resistivity substrate (1.5÷3.0 MΩ cm in the inner tracker)• Silicon lattice orientation <100> in place of the usual <111>• Metal overhanging on strips
Final Choice
• Physics requirements (good safety margin)• Large scale industrial production on 6” wafer.• Well established and relative inexpensive technologies.
The solution is compatible with
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Large scale module construction
The construction of such large system (~ 220m2) has never been experienced.
•The 16.000 silicon modules will be assembled and tested in several different labs.
•Strong effort to guarantee good quality, uniformity and stability in time of module production.
•Extensive use of deeply automatized system for sensor test, module assembly and testing.
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Construction of the SSTParts procurement
Sensor Quality Assurance
Module Assembly
Bonding & Testing
Integration on mechanics
Sub-detector assembly
Tracker Assembly
PERUGIA
PERUGIA
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Organization for construction
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CMS PERUGIA Group6 permanent physicistsG.M. BileiG. MantovaniP. LaricciaL. ServoliM. BiasiniA. Santocchia
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CMS Perugia: Results
• Extensive R&D à Silicon Choice• Development of Silicon Test Set-up• Development of Mechanical Assembly Setup
• Development of Analog Optohybrid
HardWare
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CMS Perugia: Results
• Contribution to official OFFLINE B-Tagging Packages
• Contribution to JetReconstruction / Energy Flow developments
• Development of HighLevel B-Trigger (described in TRIGGER TDR)
SoftWare
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CMS Perugia: Results
Characterization of neutron irradiated, low resistivity silicon detectors.Nucl. Instrum. Meth. A477; 308-312, 2002
Parasitic capacitances in thick-substrate silicon microstrip detectors.Nucl. Instrum. Meth. A476; 751-757, 2002
Tests of CMS Silicon Detector Modules with a 350 MeV/c Hadron Beam CMS NOTE-2001/049
Study of Radiation Damage and Substrate Resistivity Effects from Beam Test of Silicon Microstrip Detectors Using LHC Readout Electronics Nucl.Instrum.Meth.A488:85-93,2002.
A comparison on radiation tolerance of 100 and 111 silicon substrates of microstrip detecorsNucl.Instrum.Meth.A476:744-750,2002.
The TriDAS Project: TDR, DataAcquisition and High Level Triggers
First study of the CMS sensitivity to the neutrinoless tau decay in 3 muons, CMS Note, 2002/037
Publications (2001-2003)
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CMS Perugia: Results
B tagging with CMS detector a LHCS. CucciarelliBEAUTY 2002 - 8th International Conference on B-Physics at Hadron Machines17-21, June 2002, Santiago de Compostela, Spain
Higgs decay in bbbar pairs and High Level B-Triggers with CMS at LHCL. Fano` Euro-GDR General Meeting IPPP, Durham UK April 18-20 2002
First Study of CMS sensitivity to neutrinoless tau decays tau-à mu mu muR. SantinelliTau2002, Univ. Calif. S. Cruz. Sept. 2002
Characterization and quality control of CMS micro-strip silicon sensorsN. DinuSymposium on Radiation Measurements and ApplicationsMay 21-23 2002, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA
The Silicon Strip Tracker for CMSM.M. Angarano
10th Intern. Workshop on Vertex Detector, 23-28 Sept. 2001, Brunnen, Switzerland
.
Presentations at Conferences (2001-2002)
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CMS Perugia: ResultsDesign and performance of a circuit for the analogue optical transmission in the CMS inner tracker
M.T. Brunetti 7th Workshop on Electronics for LHC, 10-14 September 2001, Stockholm, Sweden
Inter-Defect Charge Exchange in Silicon Particle Detectors at CryogenicTemperaturesF. MoscatelliIEEE 2001 Nuclear Science Symposium, Nov. 4-10 2001, San Diego, USA
An Enhanced Approach to Numerical Modeling of Heavily Irradiated Silicon DevicesA. Santocchia
European Materials Research Society 2001, June 5 - 8 2001, Strasbourg, France
Sviluppo di un circuito per la trasmissione del segnale analogico di read-out in fibra ottica del tracciatore di CMSB. CheccucciLXXXVII Cong. Nazi. Società Italiana di Fisica 24-29 Sept. 2001, Milano, Italy
The Silicon Strip Tracker of the CMS experimentM. Biasini7th International Conference on Advanced Technology And Particle Physics15-19 Oct, 2001, Villa Olmo, Como, Italy
The CMS Silicon Strip TrackerG.M. BileiInvited Talk at 5th Intern. Conf. on Large Scale Applic. and Rad. Hardn. of Semicon. Detectors. July 4-6 2001, Florence, Italy.
Presentations at Conferences (2001-2002)
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CMS Perugia: Results
• Tesi di Laurea in Fisica (in corso)– D.Benedetti: ttH e trigger High Level– C. Zucchetti: analisi dati test beam– D. Spiga: studio ricostruzione jet
• Tesi di Dottorato in Fisica (in corso)– L. Fano’: decadimenti Higgsàbb
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CMS Perugia: Hardware Activities
Automatic Sensor TestingMatteo Angarano Nicoleta Dinu Roberto Santinelli
Fabio Venditti Mihaela Nastase Mirela Puscalau
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Automatic sensor testingFour test centres are equipped with automatic probe stations.
Standard test procedures are used and results are analysed with common analysis routines (data centrally stored in a DB) Inter-calibration of test set-ups is foreseen to ensure consistency among different centres.
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Strategy for Sensor Testing
The test centres are fully operational and presently testing sensors for the production.
Test Acceptance criteriaIV Itot < 5 µA at Vbias = 350V
Itot < 10µA at Vbias = 450VVbreak >500V
Global
CV 100 V < Vdep < 300 VPinholes Current through AC pad: Idiel < 1nAPoly Resistors 1.5±0.3MΩ Leaky Strips Ileak < 100nA
Strip by strip@Vbias=400 V
Total Defect Strips ≤ 1%
• Fully tested sensors are delivered by companies, following our technical specifications and acceptance criteria.
• CMS test centers
• During pre-series 100% of sensors tested by CMS.
• During production, if pre-series successful, only a fraction of sensors fully tested
•Check supplier results•Monitor process radiation tolerance
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CMS Perugia: Hardware Activities - Gantry
Automatic Module Assembly
Maurizio Biasini
Mihaela Nastase
Vasile Postolache
Ezio Babucci
Marco Giorgi
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Silicon modules
Stereo side ofback to back module
Single side moduleSupporting frame
in carbon fibre
Silicon sensors
Pitch adapter and
Front end hybrid
(4 or 6 APV25 chips)
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Automatic module assemblySix centres are equipped with the same fully automatic system (based on Aerotech 10000 pick and place machine).
The system can assemble modules with the required precision and almost without operator intervention.
Large module throughput (~ 16/day) to satisfy the full Tracker construction in about two years.
Six systems are operative and presently assemble modules for the production
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Automatic Module Assembly
Glue Dispencing
Module Assembled
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Gantry: Module Precision
Module Assembly Precision
0
5
10
15
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Module Number
Dev
iatio
n (m
icro
n)
Series1
First results on REAL TIB Modules
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CMS Perugia: Hardware Activities
• Hybrid Test before and after module construction
Mirela Puscalau
Attilio Santocchia
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CMS Perugia: Hardware Activities - OptoHybrid
• Design and construction of analog optohybrid
Maria Teresa Brunetti
Bruno Checcucci
Daniel Ricci
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CMS Perugia: Hardware Activities - OptoHybrid
• Design and construction of analog optohybrid
1.4x10-3
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Out
put
ligh
t po
wer
(W
)
454035302520151050
Laser current (mA)
Total fluence (p/cm2)
before, T=-15 °C 0.08E14, T=-15 °C 0.15E14, T=-14 °C 0.23E14, T=-15 °C 0.30E14, T=-15 °C 0.38E14, T=-15 °C 0.46E14, T=-16 °C 0.53E14, T=-18 °C 0.61E14, T=-18 °C 0.68E14, T=-17 °C 0.76E14, T=-16 °C
TIB/TID left version Ch0 Light vs bias current
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CMS Perugia: Software Activities
• Development of offline-Btag• Jet Reconstruction using Calorimeter +
TrackerMaurizio Biasini Daniele SpigaLivio Fano’
Attilio Santocchia
Susanna Cucciarelli
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Development of Offline B-TagTrack-Decay-Length Method
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Development of Offline B-TagTrack-Decay-Length Significance
Flat
Gaussian
Exponential
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Development of Offline B-TagTrack Probability to come from Primary Vertex
Flat
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Development of Offline B-TagPerformances Efficiency 50% on b-jets
Efficiency 0.3% on light-jets
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Jet Reconstruction using TracksAngolar resolution improvement
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Jet Reconstruction using TracksEnergy resolution improvement
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CMS Perugia: Physics• Study of Higgs pair production
with CMS
• Study of CMS sensitivity to ttHproduction (full hadronic top decays)
• CMS sensitivity to neutrinoless Tau Decays (LeptonFlavorViolation)
Daniele Benedetti
Livio Fano’
Roberto Santinelli
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3 muon invariant mass
Signal only Signal + background
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CMS Perugia: Trigger Activities
• Development of HighLevelBTrigger strategies (ttH, Hàhh)
• Study of a Pixel-based Level-1 Btrigger (3HitBtrigger)
Maurizio BiasiniLivio Fano’Susanna Cucciarelli
Daniele Benedetti
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ttH – Fully HadronicSemileptonic ‘relatively’ simple
Fully Hadronic much harder à 8 jets
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Trigger TDR: HighLevelBTrigger on ttH
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HH – Higgs CouplingDouble Higgs Production
Four b-jets (not so hard) in final state
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Trigger TDR: HighLevelBTrigger on HH
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B-Trigger based on PIXEL
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3HitBtrigger: Triplet Colinearity
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3HitBtrigger: Primary Vertex
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3HitBtrigger: Impact Parameter
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3HitBtrigger: Performances
Timing Performances
N. of secondary tracksEfficiencies 50% b-jets5% light-jets
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CMS Perugia: MonteCarlo Production
• Need to generate a large number of events and simulate detector response
• PC-Farm installed and used inside official CMS MonteCarlo Production
Leonello Servoli
Livio Fano’
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• O(10**5) Events fully simulated up to now
• We participate to the CMS Data Challenge (DC04, 5% of 1month datataking)
CMS Perugia: MonteCarlo Production
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CMS Perugia: Other Activities
• Test beam data analysisLeonello Servoli
Claudio Zucchetti
•Contribution to development of CMS DataBase
Matteo Risoldi
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Conclusions
• Intensive Physics program of CMS-Perugia group in HardWare / SoftWare / Trigger
• These projects will bring us to LHC-Startup expected in 2007
But...• Lack of Real Data (physics analysis, thesis)
therefore
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BaBar Experiment • INFN-Perugia recently joined BaBar experiment
• Strict connection with University of Perugia / INFN Frascati group (I. Peruzzi, F. Anulli, G. Finocchiaro)
• Three people involved M. Biasini
R. Covarelli
M. Pioppi
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BaBar Experiment - Perugia • Study of BàD*Ds* decays from data collected with BaBar
• Preliminary results described in internal BaBar note
Aim to submit soon the result to conferences
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•The layout has been defined and frozen•Detailed drawing of the final carbon fibre mechanical support is being designed•Full size prototypes are being built and equipped with dummy modules
Mechanics of the SST
TOB
TEC
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CMS silicon sensors
14 sensor mask designs