Discussions in this presentaXon o Context of the workshop - - PowerPoint PPT Presentation

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ECFA ¡High ¡Luminosity ¡LHC ¡Experiments ¡Workshop ¡

Report ¡to ¡ECFA ¡session ¡Nov. ¡21 ¡2013 ¡ h@ps://cms-­‑docdb.cern.ch/cgi-­‑bin/PublicDocDB//ShowDocument?docid=12141 ¡ ¡ ¡

• D. ¡Contardo, ¡P. ¡Allport ¡

On ¡behalf ¡of ¡the ¡program ¡commi@ee ¡and ¡the ¡preparatory ¡groups ¡

• D. ¡Abbaneo, ¡M. ¡Abbrescia, ¡P. ¡P. ¡Allport, ¡C. ¡Amelung, ¡A. ¡Ball, ¡D. ¡Barney, ¡C. ¡F. ¡Bedoya, ¡P. ¡De ¡Barbaro, ¡O. ¡Beltramello, ¡S. ¡

Bertolucci, ¡H. ¡Borel, ¡O. ¡Bruning ¡, ¡P. ¡ ¡Buncic, ¡C. ¡M. ¡Bu@ar, ¡J.P. ¡Cachemiche, ¡P. ¡Campana, ¡A. ¡ ¡Cardini, ¡S. ¡Caron, ¡M. ¡Chamizo ¡ Llatas, ¡D. ¡G. ¡Charlton, ¡J. ¡ChrisXansen, ¡D. ¡C. ¡Contardo, ¡G. ¡CorX, ¡C. ¡G. ¡Cuadrado, ¡A. ¡Dainese, ¡B. ¡Dahmes, ¡B. ¡Di ¡Girolamo, ¡P. ¡ Dupieux, ¡P. ¡Elmer, ¡P. ¡Farthouat, ¡D. ¡Ferrere, ¡M. ¡Ferro-­‑Luzzi, ¡I. ¡Fisk, ¡M. ¡Garcia-­‑Sciveres, ¡T. ¡Gershon, ¡S. ¡Giagu, ¡P. ¡iubellino, ¡

• G. ¡Graziani, ¡I. ¡M. ¡Gregor, ¡B. ¡Gorini, ¡M. ¡Hansen, ¡C.S. ¡Hill, ¡K. ¡Hoepfner, ¡P. ¡Iengo, ¡J. ¡Incandela, ¡M. ¡Ishino, ¡P. ¡Jenni, ¡A. ¡Kluge, ¡
• P. ¡Kluit, ¡M. ¡Klute, ¡T. ¡Kollegger, ¡M. ¡Krammer, ¡N. ¡KonstanXnidis, ¡O. ¡Kortner, ¡G. ¡Lanfranchi, ¡F. ¡Lanni, ¡R. ¡Le ¡Gac, ¡R. ¡Lindner, ¡
• F. ¡Machefert, ¡M. ¡Mangano, ¡M. ¡Mannelli, ¡V. ¡Manzari, ¡A. ¡Marchioro, ¡S. ¡McMahon, ¡I.-­‑A. ¡Melzer-­‑Pellmann, ¡S. ¡Mersi, ¡P. ¡

Braun ¡Munzinger, ¡W. ¡J. ¡Murray, ¡S. ¡Myers, ¡A. ¡NisaX, ¡N. ¡Neufeld, ¡P. ¡Phillips, ¡D. ¡Pinci, ¡K. ¡Prokofiev, ¡C. ¡Rembser, ¡P. ¡Riedler, ¡

• W. ¡Riegler, ¡D. ¡Rousseau, ¡L. ¡Rossi, ¡A. ¡Safonov, ¡G. ¡P. ¡Salam, ¡A. ¡Sbrizzi, ¡C. ¡Schaefer, ¡B. ¡Schmidt, ¡C. ¡Schwick, ¡D. ¡Silvermyr, ¡W. ¡
• H. ¡Smith, ¡A. ¡Valero, ¡P. ¡Vande ¡Vyvre, ¡F. ¡Vasey, ¡S. ¡Veneziano, ¡B. ¡Verlaat, ¡T.S. ¡Virdee, ¡A.R. ¡Weidberg, ¡A. ¡Weiler, ¡P. ¡Wells, ¡
• H. ¡Wessels ¡, ¡G. ¡Wilkinson, ¡K. ¡Wyllie, ¡W. ¡Zeuner ¡

¡

Discussions ¡in ¡this ¡presentaXon ¡

2 ¡

• Context ¡of ¡the ¡workshop ¡

¡

• ScienXfic ¡content ¡ ¡ ¡
• Proposed ¡follow-­‑up ¡

¡ ¡ ¡

Context ¡of ¡the ¡workshop ¡

3 ¡

The ¡update ¡to ¡the ¡European ¡Strategy ¡for ¡ParXcle ¡Physics ¡“Europe’s ¡top ¡priority ¡ should ¡be ¡the ¡exploita4on ¡of ¡the ¡full ¡poten4al ¡of ¡the ¡LHC, ¡including ¡the ¡high-­‑ luminosity ¡upgrade ¡of ¡the ¡machine ¡and ¡detectors ¡with ¡a ¡view ¡to ¡collec4ng ¡ten ¡ 4mes ¡more ¡data ¡than ¡in ¡the ¡ini4al ¡design, ¡by ¡around ¡2030” ¡was ¡adopted ¡by ¡the ¡ CERN ¡Council ¡in ¡Brussels ¡in ¡May ¡2013 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Aim ¡and ¡focus ¡of ¡the ¡workshop ¡

4 ¡

The ¡ECFA ¡HL-­‑LHC ¡Experiments ¡Workshop ¡has ¡been ¡a ¡first ¡meeXng ¡of ¡the ¡ALICE, ¡ ATLAS, ¡CMS ¡and ¡LHCb ¡collaboraXons ¡and ¡Accelerator ¡and ¡Theory ¡colleagues ¡ ¡ ¡ To ¡develop ¡a ¡common ¡approach ¡to ¡the ¡HL-­‑LHC ¡programme ¡and ¡to ¡idenXfy ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ synergies ¡and ¡possible ¡effort ¡to ¡collaborate ¡in ¡areas ¡of ¡common ¡interest ¡ ¡ Physics ¡-­‑ ¡Accelerator ¡& ¡Experiment ¡Interface ¡-­‑ ¡Detector ¡Sub-­‑Systems ¡-­‑ ¡ Experimental ¡Infrastructure ¡& ¡InstallaXon ¡Work ¡ ¡ ¡

∼ ¡330 ¡parXcipants ¡at ¡the ¡workshop ¡

Agenda ¡and ¡documentaXon ¡

5 ¡

8 ¡Preparatory ¡Groups ¡formed ¡ ¡

¡à ¡Prepared ¡sessions ¡with ¡topical ¡presentaXons ¡across ¡experiments ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡h@ps://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=252045 ¡ ¡

Upgrade ¡goals ¡covered ¡at ¡the ¡workshop ¡

6 ¡

ALICE ¡ LHCb ¡ ∼ ¡10 ¡nb-­‑1 ¡ ¡ ∼ ¡50 ¡e-­‑1 ¡ ATLAS ¡and ¡CMS ¡ ∼ ¡3000 ¡e-­‑1 ¡ Note: ¡ALICE ¡and ¡LHCb ¡do ¡not ¡need ¡the ¡high ¡luminosity ¡upgrades ¡to ¡the ¡LHC ¡ LHC ¡-­‑ ¡InjecXon ¡ LHC ¡-­‑ ¡InteracXon ¡Region ¡ Pb-­‑Pb: ¡6 ¡x ¡1027 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ p-­‑p: ¡2 ¡x ¡1033 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ p-­‑p: ¡5 ¡x ¡1034 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ With ¡luminosity ¡leveling ¡

Upgrade ¡goals ¡covered ¡at ¡the ¡workshop ¡

7 ¡

ALICE ¡ LHCb ¡ ∼ ¡10 ¡nb-­‑1 ¡ ¡ ∼ ¡50 ¡e-­‑1 ¡ ATLAS ¡and ¡CMS ¡ ∼ ¡3000 ¡e-­‑1 ¡ Note: ¡ALICE ¡and ¡LHCb ¡do ¡not ¡need ¡the ¡high ¡luminosity ¡upgrades ¡to ¡the ¡LHC ¡complex ¡ LHC ¡-­‑ ¡InjecXon ¡ LHC ¡-­‑ ¡InteracXon ¡Region ¡ Pb-­‑Pb: ¡6 ¡x ¡1027 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ p-­‑p: ¡2 ¡x ¡1033 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ p-­‑p: ¡5 ¡x ¡1034 ¡cm-­‑2s-­‑1 ¡ With ¡luminosity ¡leveling ¡

Schedule ¡and ¡duraXon ¡of ¡LS ¡were ¡discussed ¡at ¡the ¡workshop ¡ ¡

• ALICE ¡and ¡LHCB ¡request ¡6 ¡m ¡delay ¡of ¡LS2 ¡(prefer ¡more) ¡and ¡18 ¡m ¡are ¡needed ¡
• LS3 ¡in ¡2023 ¡is ¡Xght ¡technically ¡& ¡for ¡funding ¡-­‑ ¡DuraXon ¡esXmates ¡range ¡from ¡27 ¡to ¡36 ¡m ¡ ¡

à ¡Reaching ¡3000 ¡e-­‑1 ¡by ¡2035 ¡will ¡be ¡a ¡challenge ¡ ¡

Accelerator ¡and ¡Experiment ¡interface ¡

8 ¡

• Different ¡upgrade ¡scenarios ¡to ¡improve ¡beam ¡overlap ¡at ¡ATLAS ¡and ¡CMS ¡IRs ¡

– Integrated ¡luminosity ¡will ¡be ¡limited ¡by ¡detector ¡ability ¡to ¡sustain ¡event ¡Pile-­‑Up ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡à ¡Present ¡performance ¡goal ¡is ¡140 ¡<PU> ¡-­‑ ¡experiments ¡need ¡to ¡evaluate ¡benefit ¡with ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡lower ¡interacXon ¡density ¡(flat ¡luminous ¡region) ¡and ¡when ¡performance ¡degradaXon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡due ¡to ¡PU ¡will ¡overcome ¡luminosity ¡benefit ¡

• New ¡Triplets ¡at ¡InteracXon ¡Region ¡will ¡have ¡twice ¡present ¡aperture ¡

– Requires ¡modificaXon ¡of ¡absorbers ¡(TAS) ¡in ¡the ¡IR ¡-­‑ ¡appear ¡compaXble ¡with ¡small ¡radius ¡ beam ¡pipe ¡-­‑ ¡highly ¡desirable ¡to ¡anXcipate ¡work ¡in ¡LS2 ¡(lower ¡acXvaXon ¡-­‑ ¡Xme ¡gain ¡in ¡LS3) ¡

• Beam ¡loss ¡risks ¡(for ¡new ¡crab ¡caviXes ¡and ¡experiments) ¡

– Appear ¡manageable ¡from ¡preliminary ¡studies ¡-­‑ ¡more ¡(common) ¡work ¡needed ¡ ¡

¡

!0.2 !0.1

0.1 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

LHC2012 (50 ns): 25 fb-1/y, µtot= 40 @7.5E33 “HL-LHC++” (25ns): 250 fb-1/y , µtot= 140 @5E34 (BB wire .and. crabs with CK scheme .and. 800 MHz) “HL-LHC+” (25ns): 250 fb-1/y , µtot= 140 @5E34 (BB wire .and. crabs with CK scheme)

HL-LHC baseline and backup (25 ns): 250 fb-1/y , µtot= 140 @5E34 (BB wire .or. crab w/o CK scheme)

[mm-1]

z [m]

See ¡S. ¡Fartouk’s ¡presentaXon ¡

Physics ¡studies ¡at ¡the ¡workshop ¡

9 ¡

• Program ¡of ¡studies ¡was ¡developed ¡with ¡theory ¡colleagues ¡along ¡4 ¡lines: ¡ ¡

– Precision ¡tests ¡of ¡the ¡role ¡of ¡the ¡observed ¡Higgs ¡boson ¡in ¡the ¡Standard ¡Model ¡ – Direct ¡searches ¡for ¡other ¡Beyond-­‑the-­‑Standard ¡Model ¡physics, ¡ ¡ – Precision ¡tests ¡of ¡the ¡SM ¡in ¡heavy ¡flavour ¡physics ¡and ¡rare ¡decays ¡ – Precision ¡measurements ¡of ¡the ¡properXes ¡of ¡the ¡Quark-­‑Gluon ¡Plasma ¡ ¡

• Studies ¡targeted ¡to ¡requirements ¡for ¡detector ¡upgrades ¡and ¡to ¡

demonstrate ¡performance ¡reach ¡at ¡<PU>=140 ¡with: ¡

– Common ¡assumpXons ¡for ¡physics ¡process ¡generaXon ¡ – Improved ¡descripXon ¡of ¡detectors ¡upgrades ¡in ¡simulaXon ¡ – Be@er ¡understanding ¡of ¡analysis ¡tools ¡to ¡handle ¡large ¡<PU> ¡

• In ¡total ¡30 ¡studies ¡performed ¡-­‑ ¡some ¡need ¡significant ¡work ¡to ¡adapt ¡to ¡

new ¡detector ¡configuraXons ¡and ¡PU ¡condiXons, ¡this ¡is ¡especially ¡true ¡ for ¡rare ¡processes ¡analyses ¡à ¡work ¡is ¡conXnuing ¡

¡

Ø This ¡could ¡benefit ¡from ¡a ¡more ¡formal ¡structure ¡-­‑ ¡eg. ¡under ¡the ¡LPCC ¡

Physics ¡studies ¡at ¡the ¡workshop ¡

10 ¡

Factor ¡2 ¡improvement ¡in ¡coupling ¡precision ¡with ¡HL-­‑LHC ¡ ¡ @Hàγγ ¡ @HàZZ ¡ HàZγ ¡ Hàµµ ¡ Direct ¡chargino/neutralino ¡ Direct ¡stop ¡ ¡

Physics ¡studies ¡at ¡the ¡workshop ¡

11 ¡ Tracking ¡resoluXon ¡ Pb-­‑Pb ¡

τ ¡Trigger ¡threshold ¡

76 ¡GeV ¡ ¡ 39 ¡GeV ¡ ¡

Muon ¡acceptance ¡ at ¡high ¡eta ¡ WW ¡sca@ering ¡aQGC ¡ Tracking ¡at ¡ high ¡eta ¡ 140 ¡PU ¡ ¡ No ¡PU ¡ ¡ VBF/VBS ¡Jet-­‑tagging ¡ BR(Bdàµµ)/BR(Bsàµµ) ¡

Experiment ¡upgrades: ¡Driving ¡moXvaXons ¡

12 ¡

• Upgrades ¡to ¡ATLAS ¡and ¡CMS ¡experiments ¡are ¡driven ¡by ¡ ¡

– Longevity ¡of ¡detector ¡elements ¡

• Increased ¡radiaXon ¡level ¡and ¡longer ¡operaXon ¡Xme ¡

Ø Tracker ¡-­‑ ¡Forward ¡Calorimeters ¡-­‑ ¡Electronic ¡components… ¡

– LimitaXons ¡in ¡readout ¡bandwidth ¡

• Goal ¡is ¡to ¡allow ¡operaXon ¡up ¡to ¡∼ ¡200 ¡<PU> ¡

Ø Front-­‑end ¡and ¡back-­‑end ¡electronics ¡of ¡most ¡detectors ¡

– Improvements ¡required ¡to ¡miXgate ¡effect ¡of ¡event ¡PU ¡and ¡to ¡ maintain ¡or ¡enhance ¡physics ¡acceptance ¡

Ø Detector ¡granularity ¡and ¡coverage ¡-­‑ ¡event ¡selecXon ¡Trigger/DAQ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Offline/CompuXng ¡

• Upgrades ¡to ¡ALICE ¡and ¡LHCb ¡experiments ¡are ¡driven ¡by ¡ ¡

– LimitaXons ¡in ¡readout ¡bandwidth ¡and ¡trigger ¡capability ¡

• Goal ¡is ¡to ¡inspect ¡all ¡Pb-­‑Pb ¡collisions ¡in ¡ALICE ¡(50 ¡kHz ¡of ¡data ¡registered) ¡
• Goal ¡is ¡to ¡move ¡trigger ¡funcXons ¡to ¡compuXng ¡in ¡LHCb ¡(40 ¡MHz ¡readout) ¡

Ø Upgrade ¡front-­‑end ¡and ¡back-­‑end ¡electronics ¡of ¡all ¡detectors ¡

– And, ¡longevity ¡and ¡rate ¡issues ¡in ¡some ¡cases ¡

¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Silicon ¡Trackers ¡

13 ¡

• All ¡4 ¡experiments ¡need ¡replacement ¡of ¡silicon ¡trackers ¡

– None ¡are ¡designed ¡for ¡the ¡higher ¡rate ¡and ¡<PU> ¡and ¡CMS ¡and ¡ATLAS ¡trackers ¡ will ¡become ¡inoperable ¡beyond ¡500 ¡e-­‑1 ¡ ¡due ¡to ¡radiaXon ¡damage ¡ – New ¡detectors ¡have ¡many ¡common ¡features ¡

• High ¡ ¡granularity ¡for ¡efficient ¡reconstrucXon ¡-­‑ ¡light ¡material ¡for ¡precise ¡measurement ¡
• ATLAS ¡& ¡CMS ¡require ¡high ¡radiaXon ¡tolerant ¡sensor ¡technology ¡-­‑ ¡hardware ¡trigger ¡

capability ¡-­‑ ¡likely ¡extension ¡of ¡pixel ¡detector ¡coverage ¡up ¡to ¡∣η∣∼ ¡4 ¡to ¡miXgate ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡PU ¡effect ¡in ¡forward ¡calorimeters ¡

z [mm] 500 1000 1500 2000 2500 r [mm] 200 400 600 800 1000 1200 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.5

• 4.0

3.0

CMS ¡design ¡ ATLAS ¡design ¡

Pixels ¡-­‑ ¡ ¡Macro-­‑Pixel/Strip ¡& ¡Strip/Strip ¡modules ¡ ¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Silicon ¡Trackers ¡

14 ¡

• Synergies ¡in ¡R&D ¡programs ¡
• Sensor ¡technology ¡(up ¡to ¡> ¡1016 ¡neq ¡cm-­‑2 ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡smaller ¡pixels ¡-­‑ ¡thinner ¡sensors) ¡

• n-­‑in ¡p ¡planar ¡for ¡outer ¡layers ¡
• Thin ¡planar, ¡3D, ¡diamond ¡-­‑ ¡innermost ¡

layers ¡ ¡ Ø CERN ¡programs ¡RD42, ¡RD50 ¡ Ø Interest ¡for ¡8” ¡wafers ¡R&D ¡-­‑ ¡common ¡ commercial ¡approach ¡for ¡ATLAS ¡& ¡CMS ¡ large ¡areas ¡

• CMOS ¡MAPS ¡R&D ¡for ¡ALICE ¡ITS ¡-­‑ ¡has ¡

interest ¡(cost) ¡if ¡rad ¡hardness ¡and ¡rate ¡ capabiliXes ¡can ¡be ¡enhanced ¡ Upgrades ¡ Area ¡ ¡ Baseline ¡ sensor ¡type ¡ ALICE ¡ ¡ITS ¡ 12 ¡m2 ¡ CMOS ¡ LHCb ¡ ¡VELO ¡ 0.15 ¡m2 ¡ tbd ¡ LHCb ¡ ¡UT ¡ 5 ¡m2 ¡ n-­‑in-­‑p ¡ ATLAS ¡Strips ¡ ¡ 193 ¡m2 ¡ n-­‑in-­‑p ¡ CMS ¡Strips ¡ ¡ 218 ¡m2 ¡ n-­‑in-­‑p ¡ ATLAS ¡Pixels ¡ 8.2 ¡m2 ¡ tbd ¡ CMS ¡Pixels ¡ ¡ 4.6 ¡m2 ¡ tbd ¡

• Light ¡materials, ¡glues… ¡with ¡proper ¡thermal-­‑dynamical ¡properXes ¡need ¡to ¡be ¡

developed ¡for ¡low ¡temperature ¡operaXon ¡and ¡high ¡radiaXon ¡environment ¡

• Could ¡benefit ¡from ¡a ¡common ¡database ¡-­‑ ¡common ¡discussions ¡exist ¡eg. ¡“Forum ¡on ¡

Tracking ¡Detector ¡Mechanics ¡2013” ¡workshop ¡in ¡Oxford ¡

• Two ¡phase ¡CO2 ¡cooling ¡for ¡all ¡experiments ¡need ¡high ¡power ¡devices ¡(100kW) ¡
• PH-­‑DT ¡service ¡at ¡CERN ¡is ¡federaXng ¡development ¡efforts ¡ ¡
• Important ¡need ¡for ¡common ¡well ¡equipped ¡beam ¡test ¡& ¡irradiaXon ¡faciliXes ¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Calorimeters ¡

15 ¡

• All ¡experiments ¡need ¡new ¡read-­‑out ¡electronics ¡to ¡access ¡full ¡granularity ¡-­‑ ¡

increase ¡data ¡transfer ¡bandwidth ¡and ¡allow ¡higher ¡trigger/DAQ ¡rates ¡

– Analog ¡front-­‑end ¡chips ¡depend ¡on ¡technology, ¡but ¡with ¡similar ¡need ¡for ¡large ¡ dynamic ¡range ¡and ¡analog ¡to ¡digital ¡conversion ¡ ¡ ¡ – For ¡digital ¡chips, ¡there ¡is ¡common ¡interest ¡to ¡invesXgate ¡SEU ¡effects ¡and ¡choice ¡of ¡ technology ¡for ¡ASICs ¡or ¡to ¡invesXgate ¡Custom ¡Off ¡The ¡Shelf ¡components ¡as ¡an ¡ alternaXve ¡ – Common ¡requirement ¡to ¡transfer ¡data ¡without ¡buffering ¡at ¡interacXon ¡rate ¡-­‑ ¡need ¡ high ¡bandwidth ¡links ¡10 ¡Gbps ¡or ¡higher ¡

• Detector ¡upgrades ¡

– ALICE ¡considering ¡new ¡forward ¡calorimeter ¡(FoCal) ¡

• R&D ¡on ¡Tungsten ¡-­‑ ¡Silicon ¡sampling ¡ElectromagneXc ¡Calorimeter ¡ ¡

– LHCb ¡minor ¡replacement ¡in ¡central ¡part ¡of ¡ECAL ¡due ¡to ¡radiaXon ¡damage ¡ – ATLAS ¡invesXgaXng ¡sensiXvity ¡of ¡forward ¡calorimeter ¡(LAr) ¡to ¡instantaneous ¡rates ¡

• Possible ¡replacement ¡or ¡new ¡FCAL ¡in ¡front ¡ ¡

– CMS ¡need ¡to ¡replace ¡ECAL ¡and ¡HCAL ¡end-­‑cap ¡calorimeters ¡due ¡to ¡radiaXon ¡damage ¡ ¡

¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Calorimeters ¡

16 ¡

• CMS ¡approach ¡to ¡ECAL ¡and ¡HCAL ¡(sampling ¡calorimeters) ¡

– Consider ¡tower ¡and ¡Xle ¡geometry ¡(as ¡in ¡present ¡detectors) ¡

• Shashlik ¡EE ¡with ¡crystals ¡and ¡radiaXon ¡tolerant ¡HE ¡with ¡scinXllaXng ¡Xles ¡

– Or ¡integrated ¡calorimetry: ¡

• High ¡granularity ¡and ¡longitudinal ¡segmentaXon ¡-­‑ ¡CALICE ¡(ILC) ¡concept ¡ ¡
• Dual ¡readout ¡of ¡scinXllaXng ¡& ¡cerenkov ¡light ¡for ¡compensaXon ¡-­‑ ¡DREAM ¡concept ¡

– Consider ¡precise ¡Xming ¡measurement ¡(∼ ¡20 ¡ps) ¡to ¡miXgate ¡PU ¡effects ¡for ¡neutrals ¡ – R&D ¡on ¡radiaXon ¡tolerant ¡components ¡-­‑ ¡Crystals ¡-­‑ ¡WLS ¡fibers ¡-­‑ ¡Photo-­‑detectors ¡-­‑ ¡ MPGDs ¡-­‑ ¡Silicon ¡detectors ¡-­‑ ¡precise ¡Xming ¡measurement ¡devices ¡ Ø Synergies ¡with ¡RD52(DREAM) ¡-­‑ ¡CollaboraXon ¡started ¡with ¡CALICE ¡ Shashlik ¡concept ¡ DREAM ¡concept ¡ CALICE ¡ ¡concept ¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Muons ¡

17 ¡

• Muon ¡Chambers ¡are ¡expected ¡to ¡sustain ¡high ¡integrated ¡luminosiXes ¡

– Studies ¡of ¡long ¡term ¡operaXon ¡and ¡aging ¡miXgaXons ¡are ¡proceeding ¡

• Main ¡R&Ds ¡are ¡for ¡new ¡forward ¡detectors ¡in ¡ATLAS ¡and ¡CMS ¡ ¡ ¡

– Increased ¡rate ¡capabiliXes ¡and ¡radiaXon ¡hardness ¡ – Improved ¡resoluXon ¡(online ¡trigger ¡and ¡offline ¡analyses) ¡ ¡ – Improved ¡Xming ¡precision ¡(background ¡rejecXon) ¡

• Synergies ¡in ¡R&Ds ¡ ¡

– GEM ¡detectors ¡(LHCb ¡now, ¡ALICE ¡TPC ¡-­‑ ¡CMS ¡forward ¡chambers) ¡ ¡ – Micromegas ¡and ¡sTGCs ¡(ATLAS ¡forward ¡chambers) ¡ – RPCs ¡-­‑ ¡low ¡resisXvity ¡glass ¡for ¡rate ¡capability ¡-­‑ ¡mulX-­‑gap ¡for ¡high ¡precision ¡ Xming ¡(CMS ¡forward ¡chambers) ¡ ¡ Ø CERN ¡RD51 ¡is ¡common ¡to ¡GEM ¡and ¡Micromegas, ¡but ¡do ¡not ¡include ¡RPC ¡ developments ¡-­‑ ¡other ¡efforts ¡are ¡ongoing ¡in ¡CALICE ¡CollaboraXon ¡ Ø IrradiaXon ¡faciliXes ¡GIF ¡-­‑ ¡GIF++ ¡are ¡essenXal ¡ Ø Can ¡benefit ¡from ¡common ¡tests ¡-­‑ ¡studies ¡and ¡data ¡base ¡in ¡some ¡areas, ¡such ¡gas ¡ mixture ¡properXes ¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Electronics ¡

18 ¡

• Front-­‑end ¡ASIC ¡technologies ¡ ¡

– Requires ¡130 ¡-­‑ ¡65 ¡nm ¡processes ¡(radiaXon ¡hardness ¡-­‑ ¡low ¡power ¡consumpXon) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡à ¡need ¡to ¡develop ¡building ¡blocks ¡-­‑ ¡qualify ¡radiaXon ¡hardness ¡ ¡

• New ¡RD53 ¡for ¡ATLAS ¡& ¡CMS ¡pixel ¡chip ¡development ¡ ¡
• Also ¡of ¡interest ¡for: ¡other ¡FEs ¡-­‑ ¡data ¡transfer ¡-­‑ ¡AM ¡chips ¡for ¡track ¡trigger… ¡
• High ¡Density ¡InterconnecXon ¡

– bump-­‑bonding ¡-­‑ ¡low ¡mass ¡hybrid ¡assembly ¡with ¡flip-­‑chip ¡connecXon ¡through ¡silicon ¡vias ¡ ¡ ¡

• High ¡bandwidth ¡links ¡for ¡data ¡transfer ¡

– Common ¡development ¡GBTx ¡-­‑ ¡VersaXle ¡OpXcal ¡Link ¡ ¡ – Also ¡high ¡BW ¡electrical ¡links ¡if ¡radiaXon ¡hardness ¡limit ¡for ¡OL ¡(inner ¡detector ¡layers) ¡

• New ¡Power ¡distribuXon ¡schemes ¡(increased ¡number ¡of ¡channels) ¡

– DC/DC ¡converters ¡or ¡serial ¡powering ¡(for ¡Pixel ¡systems) ¡

• Common ¡development ¡of ¡DC/DC ¡converter ¡ASIC ¡for ¡ATLAS ¡and ¡CMS ¡

– And ¡power ¡supply ¡developments ¡(radiaXon ¡-­‑ ¡field ¡effects…) ¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Electronics ¡

19 ¡

• Modular ¡electronics ¡for ¡high ¡speed ¡data ¡back-­‑end ¡processing ¡

– Common ¡xTCA ¡standard ¡

¡ Ø Requirements ¡for ¡electronic ¡systems ¡are ¡mostly ¡common ¡both ¡to ¡experiments ¡ and ¡to ¡detector ¡sub-­‑systems ¡ ¡ ¡

• On-­‑detector ¡electronics ¡need ¡specific ¡developments ¡for ¡radiaXon ¡hardness ¡
• Use ¡of ¡new ¡technologies ¡need ¡increasing ¡resources ¡
• Common ¡commercial ¡approach ¡is ¡important ¡to ¡be ¡cost-­‑effecXve ¡

à CERN ¡PH-­‑ESE ¡plays ¡a ¡major ¡role ¡in ¡federaXng ¡the ¡efforts ¡through ¡common ¡ developments ¡or ¡discussion ¡forums ¡and ¡workshops ¡(ACEs ¡every ¡two ¡years) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡some ¡areas ¡are ¡be@er ¡covered ¡than ¡others ¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡Trigger ¡

20 ¡

• ATLAS ¡& ¡CMS ¡hardware ¡(L1) ¡trigger ¡à ¡Maintain ¡low ¡trigger ¡threshold ¡ ¡
• Track ¡informaXon ¡for ¡high ¡momentum ¡resoluXon ¡-­‑ ¡isolaXon ¡-­‑ ¡vertexing ¡ ¡

Ø Reduce ¡rates ¡of ¡lepton ¡triggers ¡by ¡a ¡factor ¡∼ ¡10 ¡

• Increased ¡bandwidth ¡at ¡least ¡to ¡200 ¡kHz ¡in ¡ATLAS ¡and ¡up ¡to ¡1MHz ¡in ¡CMS ¡ ¡
• Increased ¡latency ¡10 ¡-­‑ ¡25 ¡µs ¡(CMS ¡-­‑ ¡L0/L1 ¡in ¡ATLAS) ¡-­‑ ¡improved ¡algorithms ¡ ¡
• R&D ¡on ¡Pa@ern ¡RecogniXon ¡AssociaXve ¡Memories ¡

Ø Custom ¡ASICS ¡in ¡65 ¡nm ¡technology ¡(building ¡on ¡FTK ¡for ¡ATLAS) ¡-­‑ ¡3D ¡architecture ¡ ¡ Ø IntegraXon ¡with ¡FPGA ¡for ¡track ¡fit ¡ ¡

• CompuXng ¡trigger ¡level ¡
• ATLAS ¡& ¡CMS ¡input ¡200 ¡kHz ¡to ¡1 ¡MHz ¡output ¡up ¡to ¡10 ¡kHz ¡
• LHCb ¡40 ¡MHz ¡input ¡-­‑ ¡20 ¡kHz ¡output ¡
• ALICE ¡50 ¡kHz ¡output ¡with ¡online ¡reconstrucXon ¡to ¡reduce ¡data ¡bandwidth ¡

PRAM ¡chip ¡architecture ¡for ¡ATLAS ¡FTK ¡

Event ¡size ¡ [kB] ¡ L1 ¡ ¡Rate ¡ [kHz] ¡ Bandwidth ¡ [Gb/s] ¡ Year ¡ [CE] ¡

ALICE ¡ 20000 ¡ 50 ¡ 8000 ¡ 2019 ¡ ATLAS ¡ 4000 ¡ >200 ¡ 6400 ¡ 2022 ¡ CMS ¡ 4000 ¡ <1000 ¡ 32000 ¡ 2022 ¡ LHCb ¡ 100 ¡ 40000 ¡ 32000 ¡ 2019 ¡

Sub-­‑system ¡upgrades: ¡CompuXng ¡and ¡So{ware ¡

21 ¡

• Resources ¡needed ¡for ¡compuXng ¡at ¡HL-­‑LHC ¡are ¡large ¡-­‑ ¡but ¡not ¡unprecedented. ¡

– Flat ¡resources ¡will ¡only ¡allow ¡½ ¡to ¡10 ¡Xmes ¡less ¡CPU ¡power ¡than ¡needed ¡ ¡

• Cloud ¡federaXon ¡may ¡be ¡a ¡way ¡to ¡build ¡our ¡next ¡Grid ¡ ¡
• Proper ¡usage ¡of ¡specialized ¡track ¡processing ¡(GPUs ¡use ¡by ¡ALICE ¡HLT) ¡-­‑ ¡mulX-­‑core ¡

processors ¡will ¡need ¡major ¡so{ware ¡developments ¡to ¡minimize ¡compuXng ¡needs ¡ Ø CERN ¡WLCG ¡provide ¡a ¡proper ¡framework ¡for ¡development ¡of ¡future ¡soluXons ¡ ¡ Ø Experiments ¡can ¡benefit ¡from ¡coordinated ¡efforts ¡to ¡develop ¡new ¡programming ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡techniques ¡ VirtualizaXon ¡is ¡the ¡key ¡ ¡ technology ¡behind ¡the ¡Cloud ¡

Infrastructure ¡upgrades ¡and ¡installaXon/maintenance ¡ ¡issues ¡

22 ¡

• Infrastructure ¡

– A{er ¡15 ¡years ¡of ¡operaXon ¡many ¡systems ¡will ¡be ¡inoperable ¡or ¡unmaintainable ¡ – Capacity ¡of ¡services ¡for ¡new ¡detectors ¡needs ¡careful ¡evaluaXon ¡ ¡

• Cooling ¡systems ¡-­‑ ¡electrical ¡power ¡

– Civil ¡engineering ¡needed ¡on ¡surface ¡should ¡be ¡planed ¡in ¡advance ¡

¡ ¡

• RadiaXon ¡and ¡acXvaXon ¡issues ¡will ¡become ¡more ¡and ¡more ¡challenging ¡ ¡
• First ¡esXmates ¡at ¡the ¡workshop: ¡ ¡LS ¡> ¡3 ¡will ¡be ¡ ¡∼ ¡LS1 ¡x ¡30 ¡in ¡doses ¡

¡ Ø Many ¡common ¡aspects ¡both ¡to ¡accelerator ¡and ¡experiments ¡ ¡ Ø Highly ¡desirable ¡to ¡establish ¡common ¡discussion ¡forums ¡

• Major ¡simulaXon ¡work ¡is ¡needed: ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Air/fluids ¡-­‑ ¡crossing/service ¡caverns ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡& ¡ ¡surface ¡

• IntervenXon ¡will ¡require ¡cooling ¡Xme ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡specific ¡procedures ¡-­‑ ¡shielding ¡& ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡handling ¡tools ¡or ¡robots ¡to ¡saXsfy ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ALARA ¡rules ¡

• And ¡dedicated ¡storage ¡areas ¡ ¡for ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡radioacXve ¡components ¡

Conclusions ¡

23 ¡

• The ¡workshop ¡was ¡an ¡opportunity ¡to ¡establish ¡good ¡communicaXon ¡between ¡

communiXes ¡and ¡to ¡launch ¡new ¡common ¡studies ¡in ¡some ¡areas ¡

• It ¡was ¡very ¡successful ¡to ¡proivde ¡a ¡broad ¡view ¡and ¡resource ¡on ¡the ¡upgrade ¡

goals ¡and ¡status ¡of ¡studies ¡and ¡R&Ds ¡-­‑ ¡thanks ¡to ¡the ¡Preparatory ¡Groups ¡ ¡ Ø Many ¡synergies ¡to ¡develop ¡the ¡HL-­‑LHC ¡program ¡already ¡exist, ¡through ¡generic ¡ R&D ¡programs, ¡common ¡developments ¡federated ¡by ¡the ¡CERN ¡technical ¡ services ¡-­‑ ¡and ¡common ¡workshops ¡or ¡forums ¡ Ø Nevertheless, ¡the ¡interacXon ¡engendered ¡by ¡the ¡workshop ¡was ¡felt ¡extremely ¡ posiXve ¡and ¡follow-­‑up ¡meeXngs, ¡possibly ¡building ¡on ¡the ¡exisXng ¡preparatory ¡ groups, ¡could ¡be ¡of ¡interest ¡-­‑ ¡as ¡well ¡as ¡forming ¡a ¡few ¡dedicated ¡discussion ¡ forums ¡-­‑ ¡and ¡developing ¡common ¡tools ¡(databases ¡-­‑ ¡common ¡web ¡page) ¡ ¡ ¡ Ø It ¡is ¡proposed ¡to ¡have ¡another ¡“Aix-­‑les-­‑Bains” ¡style ¡workshop ¡around ¡the ¡ same ¡period ¡next ¡year ¡-­‑ ¡where ¡further ¡progress ¡and ¡new ¡developments ¡would ¡ be ¡reported ¡