R&D for Future Circular Lepton Colliders

RD_FCC & IDEA

The label RD-FCC (RD-FA until July 2020) was created in 2017 to group together the various activities finalised to possible experiments at future accelerators or on future accelerator techniques.

The activities have focused on the study of a detector concept (IDEA) for a future circular electron-positron collider (FCC-ee or CEPC) 

RD-FCC

La sigla RD-FA era nata nel 2017 per raggruppare insieme le varie attività finalizzate a possibili esperimenti su futuri acceleratori o a nuove tecniche di acceleratori di particelle. Sostanzialmente le attività si sono concentrate sullo studio di un concetto di rivelatore (IDEA) per acceleratori circolari elettrone-positrone, e sul progetto di un collider di muoni.

Nel 2020 è nata la sigla RD-FCC che si occupa solamente degli studi per futuri collisori circolari a elettroni-positroni. 

IDEA

IDEA è un concetto di rivelatore general purpose innovativo, disegnato per studiare collisioni elettrone-positrone in un vasto intervallo di energie fornito da un grande collider leptonico, con una circonferenza di 100 km.

IDEA è un rivelatore ermetico, suddiviso geometricamente in una regione cilindrica centrale (barrel), chiuso alle estremità da due tappi (endcaps). Il rivelatore è composto dai sotto-rivelatori seguenti, in ordine crescente di distanza dal vertice primario: un tracciatore centrale composto a sua volta di un rivelatore di microvertice fatto di rivelatori a pixel e microstrips di silicio, seguito da una grande camera a deriva con un raggio esterno di 2 m, che fornisce oltre 100 misure lungo la traccia di ogni particelle carica. La camera a deriva offre inoltre un’eccellente misura di dE/dx che è particolarmente importante per l’identificazione delle particelle. Il tracciatore centrale è completato da un rivelatore (wrapper) a microstrips di silicio, che circonda la camera a deriva. Il tracciatore è circondato da un grande, ma sottile, magnete solenoidale che fornisce un campo magnetico di 2 Tesla. Il magnete è a sua volta circondato da un rivelatore preshower. Il preshower permette di identificare e misurare cascate elettromagnetiche che iniziano nel materiale del solenoide, prima di raggiungere il calorimetro. Il preshower è costituito da una grande matrice di un nuovo tipo di rivelatore a gas a micropattern, la microRWELL. Il preshower è seguito da un calorimetro a dual readout (DR). Il calorimetro DR ha la particolarità di misurare insieme la componente elettromagnetica e adronica delle cascate originate nel materiale del calorimetro. Fornisce un’eccellente risoluzione in energia, dell’ordine del 30%/√E, sulla misura di jets adronici. La risoluzione in energia della componente elettromagnetica e’ dell’ordine del 10%/√E, mantenendo inoltre un’alta granularità che è necessaria per separare due cascate vicine generate dai decadimenti dei pioni neutri. L’ultimo sottorivelatore è l’apparato di rivelazione dei muoni. Il rivelatore di muoni usa anch’esso la tecnologia microRWELL, ma con una spaziatura (pitch) delle strips superiore. E’ composto da tre stazioni poste a distanza crescente dal vertice di interazione primario, collocate all’interno del ferro che compone il giogo di ritorno del campo magnetico. Ogni stazione del rivelatore di muoni può fornire un punto di coordinate x, y con una precisione spaziale di circa 400 micron. Combinando le informazioni delle tre stazioni si può fornire un tracciamento indipendente delle particelle cariche a 5-6 m di distanza dal vertice primario. Questa precisione permette inoltre di ricostruire ed identificare vertici secondari prodotti da particelle a lunga vita media.

Il rivelatore IDEA è stato inizialmente proposto da ricercatori di varie sezioni (Bari, Bologna, Ferrara, Lecce, LNF, Milano, Pavia, Pisa, Roma III, Torino) dell’INFN. Si sono in seguito aggiunti collaboratori stranieri provenienti da vari stati, come Inghilterra, Francia, Svizzera, Croazia, Russia, Corea del Sud e Cina.

 

FCC-ee

Il rivelatore IDEA è considerato, ed è descritto nel Conceptual Design Report, pubblicato nel gennaio 2019, come un possibile rivelatore per una delle regioni di collisione del nuovo progetto di un collider e+e– del CERN, chiamato FCC-ee, con una circonferenza di 100 km, capace di operare ad energie nel centro di massa che vanno da 90 a 365 GeV, con una luminosità istantanea elevatissima, superiore a 1036 cm-2s-1 al picco della Z. Tra le caratteristiche peculiari di FCC-ee c’è la possibilità di misurare con estrema precisione gli accoppiamenti del bosone di Higgs, scoperto nel 2012 al LHC.

Il collider FCC-ee userà il complesso esistente di acceleratori del CERN come pre-acceleratori prima di iniettare il fascio nel tunnel sotterraneo da 100 km del FCC-ee  collider.

CepC

Il rivelatore IDEA è stato inoltre considerato come una possibile soluzione anche per il progetto concorrente di un collider e+e–  da 100 km  da costruirsi in Cina, the CepC. Il CepC sarà costruito in un nuovo laboratorio cinese e vari possibili siti sono attualmente in considerazione. Il CepC opererebbe ad energie nel centro di massa che variano da 90 a 240 Gev. anch’esso funzionante con luminosità istantanee estremamente elevate. Anche al collider CepC si potranno misurare con grande precisione gli accoppiamenti del bosone di Higgs con altre particelle e inoltre si potranno misurare tutti gli osservabili elettrodeboli con una precisione 20-50 migliore di quella ottenuta al LEP negli anni 90.

Il rivelatore IDEA detector è descritto nel CepC Conceptual Design Report, pubblicato alla fine del 2018.