22
The upgrade program of the LHCb experiment at the Large Hadron Collider Rudolf Oldeman INFN Sezione di Cagliari and Università di Cagliari On behalf of the LHCb collaboraCon 27/9/2013 XCIX Congresso Nazionale della SIF Trieste 1

The$upgrade$program$of$the$LHCb$ … · The$upgrade$program$of$the$LHCb$ experimentatthe$Large$Hadron$ Collider$ Rudolf$Oldeman$ INFN$Sezione$di$Cagliari$$ and$Università$di$Cagliari$

  • Upload
    vohanh

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

The  upgrade  program  of  the  LHCb  experiment  at  the  Large  Hadron  

Collider  Rudolf  Oldeman  

INFN  Sezione  di  Cagliari    and  Università  di  Cagliari  

On  behalf  of  the  LHCb  collaboraCon  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   1  

The  Large  Hadron  Collider  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   2  

Collides  protons  on  protons  head-­‐on  with  Ecm=8  TeV  every  50ns  (13  TeV,  25ns  in  2015)  

The  LHCb  experiment  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   3  

~1/100  pp  collisions  produces  b  hadron  decays  in  few  ps  (~few  mm)  

Cherenkov    detectors  

Tracking  

calorimeters  

~600  physicists  from    ~20  countries  

muon  detector  

performance  parameters:  *  2<η<5  *  σPV,xy~10μm  *  Δp/p  0.4%-­‐0.6%  *  P(h→μ)~1%  

LHCb  trigger  and  readout  •  Maximum  readout  rate:  1MHz  •  Hardware  trigger  requires  high-­‐E  µ  or  h  

•  ~90%  eff  for  B→µ+µ-(X)    •  ~30%  eff  for  B→hadrons    •  ~10%  eff  for  charm  

•  full  reconstrucCon  @1MHz  in  30k  CPU  ‘farm’  •  pp  bunch  crossing  every  50  ns  (25ns  in  2015)  •  with  ~2  collisions  each  

–  kept  constant  though  luminosity  levelling  –  achieved  by  displacing  beams  at  coll.  point  

•  ‘opCmum’  L=4x1032cm-­‐2s-­‐1  –  rise  in  trigger  threshold  would  overshadow  gains  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   4  

LHCb  highlights  from  2011-­‐2012  data  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste  

5  

•  Strong  evidence  for  Bs→µ+µ-  decays  arXiv:1307.5024  

 •  CP-­‐violaCng  phase    

LHCb-­‐CONF-­‐2013-­‐006    

•  ObservaCon  of  D0  mixing  PRL  110,  101802(2013)  

•  and  135  other  published  results...  –  See  talks  of  S  Perazzini,  L.  Anderlini,  A.A.Alves  Jr.,  M  Zangoli  and  S.  Amerio  at  this  conference  

Timeline  

•  2011:      1p-­‐1  at  Ecm=7TeV,  50ns  b-­‐b  •  2012:        2p-­‐1  at  Ecm=8TeV,  50ns  b-­‐b  •  2013-­‐2014:  LS1  (first  long  shutdown)  •  2015-­‐2017:  5p-­‐1  at  Ecm=13TeV  25ns  b-­‐b  •  2018:        LS2  INSTALL  LHCb  UPGRADE  •  2019-­‐2021:  15p-­‐1      •  2022-­‐2023:  LS3  (third  long  shutdown)  •  2024-­‐??:    10p-­‐1  per  year  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   6  

LHCb  upgrade  requirements  

•  instantaneous  luminosity  (1-­‐2)x1033cm-­‐2s-­‐1  – on  average  5  collisions  per  bunch  crossing      –  integrated  luminosity  50p-­‐1  

•  full  detector  readout  at  every  bunch  crossing  –  to  cope  with  higher  luminosity  – doubles  B-­‐>hadron  efficiency  

   

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   7  

Challenges  •  Fine  segmentaCon  

–  to  cope  with  <n>=5  •  RadiaCon  hardness    

–   50p-­‐1  •  Low  mass  

–  equal  to  or  less  then  current  •  Fast  readout    

–  40MHz    •  Tremendous  dataflow    

–  40Tb/s  •  Complex  networking  for  event  building  

–  12k  fibers  to  50k  CPU  •  CompuCng  power  

–  full  event  reconstrucCon  @  1-­‐40MHz  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   8  

The  LHCb  upgrade  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   9  

kept  parCally  kept  replaced  removed  

VELO  upgrade:  strips  -­‐>  pixels  55x55µm,  40Mpixel  Thin  (200µm)  sensor,  ASIC  26  layers,  0.8%X0  each  micro-­‐channel  CO2  cooling  -­‐20oC  RF  foil  thinner:  300-­‐>150µm,    Si  closer  to  beam:  8-­‐>5.2mm  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   10  

The  upstream  tracker  (UT)  

•  To  replace  the  present  TT    –  large-­‐area  tracking  upstream  of  dipole  magnet    

–  long  lever  arm  improves  dp/p  –  Crucial  for  Ks→π+π-­‐,  Λ→pπ-­‐  

•  Keep  4  layers  (0o,+5o,-­‐5o,0o)  •  Thin  (250µm)  sensors,  -­‐5oC  •  Challenge  for  material  budget  <5%X0  •  smaller  pitch,  length  near  center  •  Inner  sensors  circular  cut  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   11  

Downstream  tracking  

•  3x4  planes  5x6m2  

•  present:  IT(Si)+OT  4mm  tubes  (50ns  dri{  Cme)  •  Too  high  mulCplicity  for  upgrade  condiCons  •  Two  opCons  under  consideraCon:  – more  silicon,  shorter  tubes  – parCal  or  complete  replacement  with  fiber  tracker  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   12  

larger  IT  opCon  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   13  

•  Increase  fracCon  of  surface  covered  by  Silicon  •  remake  part  of  OT  with  shorter  straws  

ultra  light-­‐weight  support  structure  

present  half  IT  

half  IT  in  upgrade  

ScinCllaCng  fiber  opCon  now  baseline  op<on  

•  5-­‐layer  250µm  fibers.    – 2.5m  long,  mirrored  ends  – 8000km  to  cover  12x  (5x6m2)  

•  SiPM  (1100x250µm)  readout  @  -­‐50oC  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   14  

Ring  Imaging  Cherenkov  detectors  RICH1  aerogel+C4F10                RICH2  CF4  

•  Present:  Hybrid  photodetectors  –  silicon  pixel  inside  image  intensifier  –  pixel  readout  <=1MHz  –  need  replacement  

•  New  choice:  ‘classic’  8x8  MulC-­‐Anode  PMTs  –  square  shape-­‐>be|er  surface  packing  than  

cylindrical  hybrids  

•  Remove  aerogel  from  RICH1  •  Increase  radius  of  mirrors  2.7→3.8m  

–  both  reduce  occupancy  •  In  LS3:  TOF  (TORCH)  system  behind  RICH2  to  

recover  low-­‐p  PID?  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   15  

Calorimeter  

•  remove  two  ‘thin’  detectors  in  front  of  ECAL  –  ScinCllaCng  pad  detector,  SPD  –  preshower,  PRS  

•  not  needed  in  40MHz  readout  •  reduce  PMT  HV  to  reduce  ageing  –  5x  gain  reducCon  

•  New  low-­‐noise  high-­‐gain  frontend  with  40MHz  readout  

•  replace  some  inner  modules  in  LS3  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   16  

Muon  system  

•  Remove  pre-­‐CALO  staCon  M1  – was  only  used  for  trigger  

•  New  off-­‐detector  electronics  for  40HMz  readout  

•  Replace  some  inner  modules  at  LS3  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   17  

Readout&trigger  

•  ~12k  opCcal  fibers  with  3.2Gb/s  each  •  Straight  to  the  surface  –  present  LHCb  has  most  electronics  in  cavern  

•  Common  readout  board    •  Full  event  reconstrucCon  in  farm  •  IniCally,  farm  won’t  be  able  to  handle  40MHz  •  Use  exisCng  hardware  trigger  (L0)  as  rate  limiter  (LLT)  10-­‐40MHz  

•  Allow  20kHz  to  ‘tape’  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   18  

Physics  prospects  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   19  

Many  key  measurements  have  small  SM  theory  uncertainCes  

Conclusion  

•  LHCb  is  preparing  for  major  upgrade  for  2019  •  ‘Triggerless’  readout  and  higher  granularity  •  Aim  to  run  at  5xluminosity,  2xefficiency  (for  h)  •  AcCve  R&D  to  make  final  technology  choices  •  ImperaCve  to  reach  full  sensiCvity  to  new  physics  in  the  flavour  sector  at  the  LHC  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   20  

BACKUP  27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   21  

Documents  

•  Expression  of  Interest  CERN-­‐LHCC-­‐2008-­‐007  •  Le|er  of  Intent      CERN-­‐LHCC-­‐2011-­‐001  •  Framework  TDR      CERN-­‐LHCC-­‐2012-­‐007  

27/9/2013   XCIX  Congresso  Nazionale  della  SIF  -­‐  Trieste   22