Tungt utstyr for LHC

Dokumentets innhold.

Dette dokumentet inneholder en beskrivelse av LHC-eksperimentene ATLAS og ALICE med særlig vekt på den norske instrumenteringsinnsatsen innen disse i perioden 1998-2005.

• Generelle betraktninger og bakgrunn for dette dokumentet
• LHC-programmet ved CERN
• ATLAS og ALICE-eksperimentene; den norske deltakelsen
• Tungt utstyr for ATLAS; utførelse av prosjektet og søknadsbeløp
• Tungt utstyr for ALICE; utførelse av prosjektet og søknadsbeløp
• Fullstendig oversikt over tungt utstyr for ATLAS og ALICE
• Prosjektdeltakere ved Univ. i Bergen (UiB) og Univ. i Oslo (UiO).

Generelle betrakninger og bakgrunn for dette dokumentet.

De Mat.Nat. fakultetene ved UiB, UiO har de siste 6 mnd. forhandlet med NFR-NT om rammebetingelsene for norsk partikkel og kjernefysikkvirksomheten i perioden 1998-2005. Forskningsmiljøet vil legge fram et program som dekker denne perioden innenfor et totalbudsjett på omtrent 100 Mkr :

• Denne summen er fremkommet ved å ta utgangspunkt i universitetsmiljøenes prosjektplaner
• NT sagt villig (i brev av 2.2.98,TVI/NAJ 97/04956) til å inngå langsiktige kontrakter med miljøene "innenfor en total ramme på 10.4 Mkr pr.år i 8 år fra og med 1998 (i løpende kroner) pluss ca. 15 Mkr av antatt bevilgning til vitenskapelig utstyr".
• Videre presiseres det at "det er en forutsetning for bevilgning over avansert vitenskapelig utstyr til detektorbygging i ATLAS og ALICE at dette gis tilstrekkelig høy prioritet i universitetenes egne prioriteringer". Dette dokumentet beskriver det vitenskapelig utstyr som trenges for ATLAS og ALICE og fysikkprosjektene som muliggjøres ved å realisere dette utstyret.
• Det er også verd å merke seg at fysikkanalysevirksomheten ved DELPHI, BABAR, HERA-B, NA57 og Brahms også inngår i totalprogrammet som vi søker å oppnå enighet om. Det er derfor en meget betydelig del av norsk grunnforskningsvirksomhet i fysikk som kan oppnå langsiktige og stabile rammebetingelser ved at UiO og UiB prioriterer tungt-utstyr for LHC-eksperimentene tilstrekkelig høyt til at en totalavtale kan inngås. Betydningen for de Fysiske Instituttene i Bergen og Oslo er derfor meget stor. Et stipendprogram som inneholder 15-25 dr.scient stipendier er inkludert i totalprogrammet.

LHC-programmet ved CERN.

LHC er planlagt å starte i 2005. LHC-prosjektet er godkjent av CERN Council og industrikontraktene for akseleratorkomplekset er i ferd med å inngås. En rekke nye nasjoner - USA, Canada, Russland, Japan, Israel og India - har inngått omfattende og unike forskningsavtaler med CERN om deltakelse i LHC-programmet. I perioden fra 2005 til 2015 vil analyse av data fra LHC-eksperimentene være fokus for store deler av det internasjonale fysikersamfunnet. Dataene fra LHC har relevans langt studier av mikrokosmos. Med økte forståelsen av sammenhengen mellom de fundamentale vekselvirkningene i naturen og kosmologi er interessen stor også i det miljøet og kunnskapet vil kunne forandre vårt syn på naturens innerste vesen.

Fysikkprogrammet ved LHC omfatter to store proton-proton eksperimenter (ATLAS og CMS), et eksperiment for studier av kjernekollisjoner (ALICE) og mer spesialisert b-kvark eksperiment (LHC-B). Det omfatter ca. 4000 fysikere med bakgrunn i partikkel og kjernefysikk-miljøet.

Motivasjonen for ATLAS er i første rekke studier av Higgs-mekanismen (opprinnelsen til masse) og CP-brudd (materie-antimaterie asymmetri) og ikke minst et generelt og omfattende program for studier av ny fysikk utover Standard Modellen (Super-Symmetri, søk for substrukturer innen kvarker, leptoner eller bosoner, eller andre mer omfattende teorier som kan forene de fundamentale vekselvirkningene vi kjenner idag). I løpet av perioden 2005-2015 vil man ved analyse av data fra eksperimentet kunne angripe disse fundamentale spørsmålene i full bredde. ATLAS er en naturlig fortsettelse av LEP200 programmet og er nå et hovedprosjekt ved de to instituttene i Bergen og Oslo.

ALICE-eksperimentet konstrueres for å utnytte det unike fysikkpotensialet som ligger i kjerne-kjerne kollisjoner ved LHC. Hovedmålet er å studere sterk vekselvirkende materie ved ekstremt høye energitettheter, hvor det forventes a kvark-gluon plasma dannes. Eksistensen av en slik plasmafase og dens egenskaper er sentralt i QCD og vår forståelse av materiens oppførsel ved høy energitetthet.

ATLAS og ALICE-eksperimentene; den norske deltakelsen.

Eksperimentene ved LHC skal installeres fra 2003 slik at detektorkonstruksjonsvirksomheten er konsentrert i perioden fram til da. Innkjøp av utstyret for eksperimentene foregår stort sett i perioden 1999-2002.

ATLAS-eksperimentet er et av de to proton-proton eksperimentene ved LHC. Detektoren består av et muon-system basert på "air-core" toroidmagneter, et hadronisk "scintillator-tile" kalorimeter, elektromagnetiske LAr-kalorimetre og innerst, spordetektorer omsluttet av en solenoidmagnet. Inner Detektor (ID) består blant annet av 4 silisiumstripedetektor-sylindere pluss 9 disker med silisiumstripedetektorer i forover- og bakoverretningen. ATLAS-eksperimentet har en kostnadsramme på 475 MSfr, derav koster silisiumstripesystemet 45 MSfr. Konstruksjonen av ATLAS-detektoren er delt i spesialiserte detektorsystemer (55%) som kan bygge ved institutter rundt omkring i verden og store generelle systemer (45%) som fellesfinansieres (Common Fund). Common Fund bidraget vil ikke bli diskutert i det følgende.

• ATLAS-aktiviteten ved UiB og UiO er knyttet til bygging av en større del av silisiumstripedetektor-systemet for eksperimentet, nemlig den innerste barrel sylinderen som har radius 30 cm. Denne virksomheten vil føre til en omfattende detektor-konstruksjonsvirksomhet ved de fysiske instituttene i Bergen og Oslo i årene 1998-2005. Tungt utstyrssøknaden dekker innkjøp av komponentene for å bygge denne detektoren.

ALICE-eksperimentet er et fellesprosjekt som har sitt utspring i tungionemiljøet som for tiden er involvert i CERNs tungione-program. Detektoren består av en indre spordetektor, et Time-Projection-Chamber, et partikkelidentifikasjonsystem og et en-arms elektromagnetisk kalorimeter. Det hele er installert inni en stor solenoidmagnet med et forholdvis svakt magnetisk felt. Den totale kostnaden for ALICE er ca. 120 MSfr.

• ALICE-aktiviteten ved UiB og UiO er knyttet til forsterkersystemet for det elektromagnetisk kalorimeteret og konstruksjon av data-utlesningssystemet for hele detektoren. Tungt utstyrssøknaden dekker det norske utstyret for disse to detektorsystemene.

I løpet av våren 1998 skal Norges Forskningsråd (NFR) underskrive ATLAS Memorandum of Understanding (MoU) som dekker Norges innsats i ATLAS prosjektet over hele konstruksjonsperioden.

I løpet av våren 1998 skal også Interim Memorandum of Understanding for ALICE underskrives. Det forventes at det endelige MoU skal legges fram 1999. Som for ATLAS forpliktet Norge seg for en del "deliverables" til eksperimentet og et visst Common Fund bidrag.

Tungt utstyr for ATLAS; utførelse av prosjektet og søknadsbeløp.

Bergen, Oslo og Uppsala skal sammen bygge ca. 6m² av silisiummodulene (480 moduler) for ATLAS i perioden 1998-2002, tilsvarende den innerste sylinderen i barrel området, og levere dem fullstendig testet til endelig installasjon på en karbonfiberstruktur. I mer detalj :

• Norge skal levere alle detektorene for modulene på denne sylinder, en del av kjølesystemet for silisiumdetektoren pluss diverse kabler og kontakter for modulene på denne sylinderen.
• Uppsala er ansvarlig for leveranse av hybrider og strålingshard elektronikk for modulene pluss tilsvarende diverse-kostnader.
• Sammen er de tre gruppene ansvarlig for konstruksjon, testing og leveranse av samtlige 480 moduler.

Forberedelsene til konstruksjon av detektorsystemet for ATLAS i Norge har pågått siden 1992. Gruppene i Bergen, Oslo og Uppsala skal bygge 480 komplette dobbeltsidige moduler som skal installeres på en sylinder.

Arbeidet er fordelt på følgende måte :

• Bergen : Sensor-evaluering, og seinere testing av komplette moduler
• Oslo : Konstruksjon av modulene pluss test av hybrider og komplette moduler
• Uppsala : Bånding av samtlige moduler, test og reparasjon av komplette moduler

Gruppene har i løpet av de siste fem årene klargjort tre fasiliteter, fullt utstyrt for konstruksjonsoppgavene, ved UiB og UiO:

• En lab for sensortesting og sensorstudier ved UiB
• Et rentrom for modulbygging ved UiO
• En elektronikklab for hybridtesting og testing av de ferdige modulene ved UiO.

ATLAS-prosjektet vil (for perioden 1998-2005), involvere 5 vitenskapelige ansatte (40 årsverk). Det vil være 8 teknisk ansatte involvert (64 årsverk). I tillegg kommer tilsvarende innsats innen Common Fund virksomheten, fra studenter på alle nivå og ikke minst innen analyse og fysikkstudier. Romutbygning og labutstyr for 2.5 Mkr har blitt investert og 13 årsverk har blitt utført for å forberede konstruksjonsfasen. Disse bidrag kommer fra Universitetene i Bergen og Oslo og tilsvarer en verdi på ca. 10 Mkr. Spesialutstyr for 1.5 Mkr, dekket av NFR, er i løpet av de siste 3 årene investert innen disse fasilitetene.

Milepæler for silisiumprosjektet (mnd.år ):

• 04.98 : Underskrift av Memorandum of Understanding
• 12.98 : Første produksjonsmoduler fra de nordiske gruppene
• 06.99 : Installer første modul på sylinder
• 06.02 : 480 moduler ferdige
• 12.02 : Sylinder komplett utstyrt
• 2003-04 : Sylinder installeres i Inner Detektor og Inner Detektor klargjøres
• 03.05 : ATLAS klar til datatakning

Tungt utstyrskomponentene:

Det søkes om 8800 Mkr for perioden 1999-2001. Dette vil dekke 2000 silisumstripedetektorer ifølge ATLAS spesifikasjonene tilstrekkelig for en sylinder ved radius 30cm og lengde 150cm. Silisiumstripedetektorene er spesielt utviklet for å opereres under høy bestråling og ved opptil 350V.

Tungt utstyr for ALICE; utførelse av prosjektet og søknadsbeløp.

Norges utstyrsbidrag til ALICE skal bidra til diode-forforsterker-systemet (PHOS) for det elektromagnetisk kalorimeteret (4.4 Mkr) og til DAQ-systemet (2.7Mkr). I mer detalj :

• Arbeidet med optimalisering av diode-forforsterker-systemet med hensyn til signal-støy forholdet er hovedaktiviteten i Bergen. Det er utviklet en forforsterker som kan tåle større dioder uten at støyen i systemet blir større. Den beste kretsløsningen har en støy under 600 elektroner ved en diode med overflate rundt 2.7 cm², som er meget lavt.
• Som en del av utviklingsarbeidet for DAQ er det utviklet et datainnsamlingssystem for PHOS beamtester og den etterfølgende detektorintegrasjon. Dette systemet bruker SCI som sammenkobling mellom DAQ datamaskinen, som er en vanlig PC, og front-end instrumenteringen i VME og CAMAC. Et annet nytt aspekt ved systemløsningen er at den er basert på operativsystemet Linux, et "public domain" operativsystem som raskt vinner popularitet i vitenskapelige applikasjoner, ikke minst i HEP- miljøet. Som DAQ programsystem brukes et standard system fra CERN; CASCADE.

Basis for PHOS DAQ R&D er oppbyggingen og målinger på en "test bench" for evaluering av SCI baserte systemer. Testkonfigurasjonen er vist i figur 3. PCI-bus er blitt en de-facto standard datamaskinbuss, koblingen mot SCI gjøres gjennom et kommersielt kort (fra Dolphin Interconnect Solutions) med meget høy ytelse. En tilsvarende kobling gjøres mot VME gjennom en "PCI carrier module" (fra VMETRO).

Tungt utstyrskomponentene:

Det søkes om 7100 Mkr for perioden 1999-2003. Våre viktigste norske samarbeidspartnere er AME, Horten (PHOS utlesning), Dolphin Interconnect Solutions (SCI maskin- og programvare), og VMETRO Inc (VME, PCI og SCI). Det forventes at utstyret vil bli innkjøpt fra disse firmaene.

Fullstendig oversikt over tungt-utstyr for ATLAS og ALICE

Nedenfor følger en overslag over viser tungt utstyrsdelen i sammenheng med totalkostnaden for virksomheten. Det må understrekes at detaljfordelingen på prosjektene ikke er definert og at det er mange uløste spørsmål om en del av virksomhetene som tidligere lå under KJERNPAR og som nå ikke opptrer eksplisitt i denne oversikten (…kun CORE summene er med…). Det arbeides også med IE-bidrag til totalprogrammet.

Budsjettoverslag :

AKTIVITET :	1998-2002	2003-2005	SuM	Kommentar
Sensorer for ATLAS	8800		8800	Tungt utstyr
PHOS/DAQ for ALICE	7100		7100	Tungt utstyr
Sum tungt utstyr	15900		15900
Kjøling og diverse for ATLAS	x		4400	NT
Common Fund for ATLAS	x	x	9900	NT
Drift, reiser, personell for ATLAS	x	x	x	NT
Common Fund for ALICE	x	x	600	NT
Drift, reiser, personell for ALICE	x	x	x	NT
Fysikkanalyse-prosjekter	x	x	x	NT
Tungione-analyseprosjekter	x	x	x	NT
Stipendier	x	x	x	NT
Forpliktelser	x	x	x	NT
Sum NT bidrag			83200
Totalt budsjett			99100

Prosjektdeltakere :

Vitenskapelig personell ved UiB, UiO:

G. Eigen	Prof. UiB
A. G. Frodesen	Prof. UiB
H.Helstrup	Post.Doc UiB
A. Klovning	Forsker NFR
B. Stugu	1.aman UiB
T.F.Thorsteinsen	Prof. UiB
L. Bugge	Prof. UiO
T. Buran	Prof. UiO
T.Engeland,	Prof. UiO
G. Midttun	1.aman UiO
G.Løvhøiden	Prof. UiO
A.L. Read	Prof. UiO
T.B.Skaali	Prof. UiO
S. Stapnes	Prof. UiO
P. Weilhammer	Prof II. UiO og CERN-staff
H. Kristiansen	20% forsker NFR
A.K.Holme	Fellow CERN

Teknisk Personell :

J.A.Marshal	ATLAS prosjektingeniør
O.Dorholt	Elektronikkingeniør UiO
K.M.Danielsen	Avd.ingeniør UiO (50% ATLAS)
B.Fjeld	Overingenør mekanisk verksted UiO
F.Hostad	Avd.ingeniør mekanisk verksted UiO
O.Mæland	Elektronikkingeniør UiB, delt med ALICE
R.Rognved	Teknikker UiB, delt med ALICE
D.Wormald	Overingeniør, UiO, ALICE

Studenter (fra prosjektsøknadene til NFR juni 97) :

• 2 dr.scient studenter ved UiO arbeider direkte innen ATLAS.
• 2 dr.scient studenter (en ved hvert institutt) arbeider innen ALICE
• 6 hf.studenter ved UiO ved Fysisk og IFI innen ATLAS
• 9 hf.studenter ved UiO/UiB innen ALICE
• 1 hf.student ved UiB i ATLAS
• 1 utvekslingstudent fra Heidelberg ved UiB i ATLAS
• 2 hf.studenter ved Mat. Inst., UiO i ATLAS
• 1-2 studenter ved NTNU i ATLAS

Industrielle kontakter tilknyttet silisiumaktiviteten :

• AME, Horten; PHOS PIN-diode og forforsterker
• SINTEF, Oslo; Sensorutvikling, Kjøleteknologi og Elektronikk
• Dolphin Interconnect Solutions, Oslo; SCI teknologi og programvare
• IDE AS, Oslo; bånding, modulbygging, ASIC/forsterker teknologi
• Kongsberg Informasjonskontroll; Multiprosessorteknologi
• VMETRO, Oslo; SCI, PCI og VME utstyr

Samarbeid med norske universitetsgrupper :

Institutt for Informatikk, UiO; elektronikk og utlesningssystemer for silisiumsensorutlesning

Institutt for Informatikk, UiO; SCI programvare

Gruppen for Mikroelektronikk, Fysisk institutt, UiB; ASIC utvikling

NTNU; kryogenikk-studier

Matematisk Institutt, UiO; FEA-beregninger