Transcript

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  


Recommended