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Maurizio Biasini Università di Perug iunioni Gruppo 1 –Perugia 1 Marzo 2003 Maurizio Biasini Università di Perugia – I.N.F.N. Perugia The CMS Silicon Strip Tracker or .... The CMS-Perugia group Riunione Gruppo 1 locale Perugia 31 Marzo 2003

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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

Maurizio BiasiniUniversità di Perugia

Riunioni Gruppo 1 –Perugia31 Marzo 2003

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

Maurizio BiasiniUniversità di Perugia

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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

Maurizio BiasiniUniversità di Perugia

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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

Maurizio BiasiniUniversità di Perugia

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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’

Maurizio BiasiniUniversità di Perugia

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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

Maurizio BiasiniUniversità di Perugia

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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

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Material budget

Radiation length Absorption length

Choice of materials and Layout of the services have been careful studied to reduce material budget (support structures, cables,

hybrids,cooling pipes, …)