A first look at detector requirements at FCC-ee Mogens - PowerPoint PPT Presentation

A ¡first ¡look ¡at ¡detector ¡requirements ¡ at ¡FCC-­‑ee ¡ Mogens ¡Dam ¡ Niels ¡Bohr ¡Ins=tute ¡ Copenhagen ¡University ¡

¡e + e -­‑ ¡Colliders: ¡Luminosity ¡vs ¡Energy ¡ Updated ¡from ¡TLEP ¡physics ¡study ¡group: ¡arXiv:1308.6176 ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 2 ¡

Precision ¡Higgs ¡Physics ¡ 2 ¡x ¡10 6 ¡HZ ¡events ¡in ¡5 ¡years ¡ 75% ¡tagging ¡ efficiency ¡assumed ¡ Process ¡ Untagged ¡ Tagged: ¡Z ¡-­‑> ¡ee/μμ ¡ ¡ Total ¡ 2,000,000 ¡ 100,000 ¡ H ¡-­‑> ¡bb ¡ 1,154,000 ¡ 55,000 ¡ H ¡-­‑> ¡cc ¡ 58200 ¡ 2,900 ¡ H ¡-­‑> ¡gg ¡ 171,400 ¡ 8,600 ¡ H ¡-­‑> ¡ττ ¡ 126,400 ¡ 6,300 ¡ H ¡-­‑> ¡μμ ¡ 440 ¡ 22 ¡ H ¡-­‑> ¡γγ ¡ 4560 ¡ 230 ¡ ¡arXiv: 1308.6176 ¡ Excellent ¡ H ¡-­‑> ¡Zγ ¡ 3080 ¡ 150 ¡ b/c-­‑tagging ¡ H ¡-­‑> ¡WW ¡ 430,000 ¡ 21,500 ¡ required! ¡ H ¡-­‑> ¡ZZ ¡ 52,800 ¡ 2,600 ¡ -­‑ ¡ ¡H ¡-­‑> ¡ZZ ¡-­‑> ¡4l ¡(e,μ) ¡ 240 ¡ 12 ¡ -­‑ ¡H ¡-­‑> ¡ZZ ¡-­‑> ¡4ν ¡(inv) ¡ 2000 ¡ 100 ¡ Access ¡to ¡rare ¡decay ¡modes ¡in ¡clean ¡ environment: ¡ Example: ¡Measure/limit ¡H-­‑> ¡inv ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 3 ¡

Precision ¡Elektroweak ¡Tests ¡ Tera-­‑Z: ¡Z ¡pole ¡asymmetries, ¡lineshape ¡ Oku-­‑W: ¡ [10 8 ] ¡WW ¡threshold ¡scan ¡ Mega-­‑top: ¡ j ¡threshold ¡scan ¡ FCC-­‑ee: ¡Repeat ¡the ¡LEP1 ¡physics ¡programme ¡every ¡15 ¡min ¡ Transverse ¡polariza=on ¡up ¡to ¡WW ¡threshold ¡ • Exquisite ¡beam ¡energy ¡determina=on ¡(10 ¡keV) ¡ Sta=s=cs, ¡sta=s=cs ¡ • 10 10 ¡tau ¡pairs, ¡10 11 ¡bb ¡pairs, ¡QCD ¡and ¡QED ¡studies, ¡etc. ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 4 ¡

EW ¡Tests ¡– ¡Essen=al ¡Quan==es ¡ Blondel ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 5 ¡

Search ¡for ¡weakly ¡coupled ¡par=cles ¡ Example: ¡Heavy ¡Neutral ¡Leptons ¡ νMSM ¡Model ¡ 1 ¡cm ¡< ¡L ¡< ¡1 ¡m ¡ Shaposhnikov ¡et ¡al ¡ Light ¡“normal” ¡neutrino ¡ Heavy ¡“sterile” ¡neutrino ¡ Z ¡decays ¡to ¡ ¡ 100 ¡μm ¡< ¡L ¡< ¡5 ¡m ¡ N ¡decays ¡ ¡ Signature: ¡Detached ¡vertex ¡ Detached ¡vertex: ¡ Sensi=vity ¡ strongly ¡ dependent ¡on ¡ detector ¡ geometry ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 6 ¡

Recent: ¡Precise ¡top-­‑quark ¡couplings ¡ Determina=on ¡of ¡top-­‑quark ¡EW ¡couplings ¡via ¡ measurement ¡of ¡top-­‑quark ¡polariza=on. ¡ In ¡semileptonic ¡decays, ¡fit ¡to ¡lepton ¡ ¡ momentum ¡vs ¡scajering ¡angle ¡ ¡ Typically ¡best ¡sensi=vity ¡ just ¡above ¡produc=on ¡ threshold ¡ Momenta ¡up ¡to: ¡175 ¡GeV ¡ Patrizia ¡Azzi: ¡ ¡ Top ¡physics ¡at ¡FCC-­‑ee ¡ Today ¡at ¡13:30 ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 7 ¡

Detector ¡Requirements; ¡First ¡Thoughts ¡ The ¡FCC-­‑ee ¡physics ¡programme ¡is ¡very ¡broad. ¡ With ¡mul=ple ¡IPs ¡(up ¡to ¡4) ¡there ¡is ¡room ¡for ¡different ¡design ¡emphasis. ¡ One ¡could ¡think ¡of ¡at ¡least ¡two ¡major ¡op=ons: ¡ Precision ¡physics ¡& ¡new ¡physics ¡searches ¡ • Higgs ¡Precision ¡Physics ¡ Good ¡energy/momentum ¡resolu=on ¡for ¡e, ¡μ, ¡jet: ¡ Z ¡tagging ¡via ¡μμ, ¡ee ¡ • Rare ¡Higgs ¡decay ¡modes: ¡μμ, ¡γγ, ¡ZZ, ¡invisible ¡ • Possible ¡to ¡use ¡Z ¡-­‑> ¡jets ¡tag ¡for ¡h ¡-­‑> ¡invisible? ¡ • Excellent ¡flavour ¡tagging: ¡ Separa=on ¡of ¡Higgs ¡to ¡bb, ¡cc, ¡gg ¡ • EW ¡Precision ¡Physics ¡ New ¡Physics ¡Searches ¡ Extremely ¡precise ¡defini=on ¡of ¡ fiducial ¡ Detached ¡ver=ces ¡over ¡a ¡large ¡life=me ¡range: ¡ volumes ¡ for ¡signal ¡and ¡normaliza=on. ¡ Large ¡radius ¡tracking ¡volume ¡ • This ¡includes ¡ ¡ Excellent ¡primary/secondary ¡vertex ¡ • geometry: ¡precise ¡borders, ¡no ¡cracks ¡ resolu=on ¡and ¡flavour ¡tagging ¡ • momentum/energy: ¡no ¡bias ¡ No ¡escaping ¡par=cles: ¡Hermi=city ¡ • ¡ ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 8 ¡

FCC-­‑ee ¡Running ¡Condi=ons ¡ FCC-­‑ee ¡baseline ¡(4 ¡IPs) Parameter Z ¡ W H ¡ t ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ No ¡crab ¡waist: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ E beam ¡[GeV] ¡ 45 ¡ 80 120 ¡ 175 ¡ no. ¡bunches ¡ 16700 4490 1360 98 Bunch ¡spacing ¡[ns] ¡ 20 73 243 3400 L/IP ¡ [10 34 ¡cm -­‑2 s -­‑1 ] ¡(4 ¡IPs) ¡ 21 10.4 5.3 1.5 Rate ¡qq ¡[Hz] ¡ 6300 3 0.7 0.1 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Crab ¡waist ¡scheme: ¡ no. ¡bunches ¡ 59581 3142 625 68 Bunch ¡spacing ¡[ns] ¡ 5.5 105 528 4850 L/IP ¡ [10 34 ¡cm -­‑2 s -­‑1 ] ¡(4 ¡IPs) ¡ 215 38 8.7 2.1 Rate ¡qq ¡ 65000 11 1.1 0.1 Bunch ¡spacing ¡down ¡to ¡20 ¡(5.5) ¡ns ¡ Time ¡between ¡qq ¡events: ¡160 ¡(15) ¡μs ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 9 ¡

Beam ¡induced ¡backgrounds ¡ M. ¡Ruan ¡ FCC-­‑ee ¡workshop ¡ Oct. ¡2014 ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 10 ¡

Pair ¡produc=on ¡background ¡at ¡FCC-­‑ee ¡ ¡ • Hit ¡density ¡O(10) ¡lower ¡than ¡at ¡ILC500 ¡ • For ¡1 st ¡VXD ¡layer ¡at ¡R=12mm, ¡260 ¡hits ¡ per ¡BX ¡at ¡FCCZ ¡c.w. ¡ • 2-­‑5 ¡x ¡– ¡3x ¡higher ¡for ¡B=2 ¡T ¡instead ¡of ¡4 ¡T ¡ E. ¡Perez ¡ FCC-­‑ee ¡workshop ¡ Feb. ¡2015 ¡ VXD: ¡ILD ¡design ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 11 ¡

Beam ¡Energy ¡Spread ¡ Non-­‑destruc=ve ¡focusing ¡and ¡collision ¡of ¡beams: ¡ -­‑ ¡Center-­‑of-­‑mass ¡energy ¡spread ¡by ¡construc=on ¡modest ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 12 ¡

Interac=on ¡Region ¡Design ¡ Two ¡different ¡IR ¡designs ¡being ¡pursued: ¡ 1. CERN ¡baseline: ¡Small ¡crossing ¡angle ¡(11 ¡mrad), ¡no ¡crab ¡waist ¡ 2. BINP ¡and ¡CERN: ¡More ¡ambi=ous, ¡larger ¡crossing ¡angle ¡(30 ¡ mrad), ¡crab ¡waist ¡ ¡ 2 nd ¡design ¡more ¡challenging ¡but ¡promises ¡more ¡luminosity: ¡ • ¡concentrate ¡on ¡that ¡here ¡ ¡ ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 13 ¡

L* ¡= ¡2 ¡m ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 14 ¡

Compensa=on ¡for ¡Detector ¡Solenoid ¡ Beams ¡are ¡crossing ¡detector ¡B-­‑field ¡at ¡an ¡angle ¡of ¡0.015 ¡mrad. ¡Compensa=on ¡needed ¡ Compensa=on ¡for ¡beam ¡path ¡ Assumed ¡here:: ¡+2 ¡Tesla ¡ Screening ¡ through ¡detector: ¡ detector ¡main ¡field ¡ quadrupole: ¡-­‑2 ¡Tesla ¡ -­‑8 ¡Tesla ¡over ¡one ¡quarter ¡of ¡path ¡ Very ¡strong ¡influence ¡of ¡solenoid ¡edges ¡on ¡ver=cal ¡emijance ¡especially ¡at ¡Z ¡peak ¡ • May ¡in ¡the ¡end ¡put ¡an ¡effec=ve ¡limit ¡on ¡the ¡strength ¡of ¡the ¡detector ¡field ¡ 24/03/15 ¡ FCC-­‑ee ¡Detector ¡Requirements ¡/ ¡Mogens ¡Dam ¡ 15 ¡