The CMS HL-LHC Upgrades and Proposed U.S. CMS Contributions Vivian - PowerPoint PPT Presentation

The CMS HL-LHC Upgrades and Proposed U.S. CMS Contributions Vivian O’Dell, U. S. CMS HL-LHC USCMS Project Manager February 2, 2016

Outline § Quick outline of the physics § The LHC and CMS § CMS Upgrades § Funding and Costs § Safety Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 2 ¡

USCMS Phase 2 (HL-LHC) Upgrade Manager § Fermilab scientist since 1993 § Previous experiments: UA1, ZEUS, KTeV, D0 § Main technical area of expertise: Trigger / DAQ / Calorimetry / Computing § Main (collider) analysis areas: QCD, Jet Physics, Photon physics o QCD convener at D0 and CMS § Project Management experience § Project manager for KTeV Data Acquisition § Project manager for D0 Run IIb upgrades § USCMS Level 2 Project Manager for Data Acquisition from 2002 – completion of construction project. Continued as the leader of the USCMS DAQ effort in the Operations Program. § USCMS Deputy Detector Operations Manager (2011-2013) and Detector Operations Manager (2014) § USCMS HL-LHC Upgrade Project Manager since January 1, 2015 Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 3 ¡

The “Standard Model” in Brief In the 1960’s, theorist postulated that by adding in an additional force mediated by the Higgs boson, we can explain the wide variation of masses in quarks and leptons § Particles interact with the Higgs boson according to their mass Particle physicists have been searching for the Higgs ever since by using progressively larger particle accelerators Discovering the Higgs was a major achievement of the first run of the LHC Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 4 ¡

The “Standard Model” in Brief § The Standard Model has been fantastically successful § Precision measurements over the last few decades confirm this picture § But – there is much not yet understood § Why are quark masses so different? o From u/d masses of a few MeV to t mass of ~170 GeV o Why are the W/Z masses not zero, like the photon mass? o Why are neutrinos nearly massless? § To make predictions within the Standard Model, all these parameters have to be put in by hand … § Why is the Higgs mass relatively low – a higher mass would be more natural in the Standard Model § And there is strong evidence from cosmology for “Dark Matter” – a form of matter only seen so far through it’s gravitational effect. How is DM related to the Standard Model? The Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) recommended in 2014 ranked the HL- LHC as the highest-priority near-term large project in the U. S. Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 5 ¡

The Large Hadron Collider § Large international effort and collaboration § Can accelerate protons up to 7 TeV o (as a reminder, the Fermilab Tevatron accelerator accelerated protons up to 1 TeV) § Built to explore the Standard Model, to look for surprises not explained by the Standard Model, and to continue the decades long search for the Higgs § By smashing high energy protons together, we can create the particles predicted by the Standard Model and study them – at higher energies means we can create more massive and/or rare particles § The accelerator collides protons inside particle detectors § These detectors are massive state of the art tools for discovery § There are two general purpose detectors, CMS and ATLAS § Both of these are built and upgraded in large, international collaborations o For example, CMS has ~ 4300 scientists, engineers & technicians from 40 countries and 180 institutes – and ATLAS is similar § Compact Muon Solenoid (CMS) § (Only compact relative to ATLAS) § 12,000 tons, or 30 jumbo jets or 2,500 African elephants § 15 meters in diameter Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 6 ¡

How does this international effort work? § The accelerator is based at CERN (the European Center for Particle Physics), which a laboratory near Geneva, Switzerland § Hosted by Switzerland, funded by 21 member nations § Also have “observer” nations – of which the U. S. is one (the U. S. is not a member of CERN) § CERN has been incredibly successful, and work related to CERN has earned 3 Nobel prizes (one in 1984 for work leading to the discovery of the W/Z, one in 1992 for particle detector development, and another recently which I’ll describe in a minute) § The U. S. has had a long history in working at CERN – U. S. Scientists contributed to the experiments which discovered the W/Z and have been working on many CERN experiments over the last 50 years § In fact, CERN has been so successful in international cooperation, that it is being used as the model for the international neutrino program, based at Fermilab Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 7 ¡

Large Hadron Collider Straddles ¡France ¡/ ¡Switzerland ¡ Highest ¡energy ¡collider ¡in ¡the ¡world! ¡ Smashing ¡Protons ¡Since ¡2010 ¡ Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 8 ¡

Straddles ¡France ¡/ ¡Switzerland ¡ Highest ¡energy ¡collider ¡in ¡the ¡world! ¡ Smashing ¡Protons ¡Since ¡2010 ¡ Since ¡2010 ¡ LHC ¡: ¡27 ¡km ¡long ¡ ~100m ¡underground ¡ Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 9 ¡

Major U. S. Contributions to LHC Huge ¡Internatonal ¡Effort! ¡ U. ¡S. ¡contributed ¡$531M ¡ Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 10 ¡

The CMS Detector § And it’s European? § Out of all the countries on CMS and ATLAS, the U. S. has the largest number of people involved with CERN § U. S. Industries have built electronics and large detector components for both CMS and ATLAS § The U. S. built about 25% of the CMS detector § And we are growing – now about 29% of the collaboration § U. S. contributed $331M to detectors for the LHC in the original construction Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 11 ¡

LHC past: In a Nutshell Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 12 ¡

Where we are now § The Higgs Boson has been found § We don’t understand its mass § This discovery was a triumph for the entire field § The properties of the Higgs match the SM prediction within our ability to measure it § For mass / spin-parity this is pretty good § For couplings, our present ability allows us to (only) see large deviations from SM predictions § What do we want to do in the future? § Measure couplings much more precisely o More stringent tests of SM § Look for new phenomena o The (lightish) mass of the Higgs implies there are more things at play o Fine-tuning? (i.e. SM parameters are what they are just because) o Additional Higgs / Beyond Standard model particles § Will we find anything new at the LHC § If not, what next? § If we do, what next? Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 13 ¡

LHC: the plan towards High Luminosity Shutdowns ¡ Run ¡III ¡ Run ¡I ¡ Run ¡II ¡ Run ¡IV ¡ Long ¡Shutdown ¡1 ¡ Long ¡Shutdown ¡2 ¡ HL-­‑LHC ¡running ¡~10 ¡years ¡ starBng ¡in ¡mid ¡2026 ¡ We ¡are ¡here ¡(2016) ¡ 30 ¡month ¡shutdown ¡ ¡ to ¡install ¡HL-­‑LHC ¡upgrades ¡ (2024) ¡(Long ¡Shutdown ¡3 ¡or ¡LS3) ¡ High ¡Luminosity ¡(meaning ¡many ¡collisions) ¡LHC ¡(HL-­‑LHC) ¡running ¡starts ¡in ¡mid ¡2026 ¡ • Expect ¡to ¡collect ¡~ ¡3000 ¡_ -­‑1 ¡(compared ¡to ¡our ¡current ¡total ¡of ¡~25 ¡_ -­‑1 ) ¡of ¡data ¡ • Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 14 ¡

Physics Reach of the HL-LHC • 2-10% on Higgs couplings – (currently up to 30%!) • Evidence of di-Higgs production • Access to small cross section SUSY processes • Several other SM rare processes and BSM physics predictions • … and increased mass range Director's ¡Review ¡-­‑ ¡U. ¡S. ¡CMS ¡ContribuBons ¡(402) ¡ V. ¡O'Dell, ¡2 ¡February ¡2016 ¡ 15 ¡