The picture shows one RD53B-CMS wafer on the probe station and a zoomed view of the chip logo
The Phase-2 upgrades of CMS and ATLAS at the High Luminosity LHC will require a new tracker with readout electronics operating in extremely harsh radiation environment and high data rate readout. In fact, during the Long Shutdown 3, both silicon tracking systems will be entirely replaced because of the accumulated radiation damage and to take advantage of the increased luminosity.
The harsh environment of HL-LHC, including a peak luminosity of 5x1034 cm-1s-1 and an estimated total dose (TID) up to 1.4 Grad through its lifetime is placing strong requirements on the radiation tolerance of the chip.
The RD53 collaboration is a joint effort between the two experiments facing the challenges of characterizing the CMOS 65nm technology in radiation environment and developing hybrid pixel readout chips for the upgrades of the pixel detectors of both experiments.
Detail of the upgraded LHCb RICH2 detector at CERN. (Courtesy LHCb Collaboration)
During the last few decades physics has made great strides towards a complete and precise understanding of what we experience in Nature, and what is still hidden to us.
Significant experimental results have been obtained in various field: high-energy collider physics, low- energy precision tests, observational cosmology, cosmic rays physics, neutrino physics,dark matter searches, gravitational waves and much more.
Matrice di Silicon PhotoMultiplier sullo sfondo e circuito stampato con il suo layout, rispettivamente, negli angoli in alto a sinistra e in basso a destra.
Tra i vari tipi di dispositivi allo stato solido attualmente impiegati nella rivelazione di fotoni a bassa energia, i SiPM hanno guadagnato una crescente diffusione in diversi campi di applicazione. Ciò è essenzialmente dovuto alla loro eccellente capacità di rilevamento di singoli fotoni, alla velocità della risposta temporale, alla bassa tensione di polarizzazione e all’immunità rispetto ai campi magnetici. Le prestazioni richieste dall’applicazione in cui tali sensori sono impiegati determinano l’approccio progettuale dell’elettronica di readout. Alla progettazione mediante tecnologia integrata, che consente il raggiungimento di specifiche ad-hoc, si contrappone la scelta progettuale a componenti discreti facente utilizzo di dispositivi, con prestazioni prestabilite, già presenti sul mercato. Il criterio più idoneo da seguire tra i due è determinato dall’ottimizzazione tra le performance da raggiungere e i tempi e i costi di sviluppo.
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha una lunga tradizione di supporto, sviluppo ed utilizzo di infrastrutture di calcolo e storage distribuito.
Negli ultimi anni, ci sono state varie iniziative volte ad integrare l’esistente infrastruttura di calcolo distribuito, basata su Grid e da lungo tempo in produzione, con l’emergente paradigma del Cloud Computing, riconoscendo in queste tecnologie interessanti opportunità per creare un modello di gestione delle risorse sostenibile nel tempo e le capacità di fornire metodi semplificati di accesso alle risorse e ai servizi che favoriscano la condivisione anche con ricercatori di discipline scientifiche diverse dalla fisica delle alte energie.
La Sezione di Bari ha fornito contributi importanti sia a livello nazionale tramite i PON 2007-2013 (per esempio PRISMA) sia a livello internazionale partecipando ai progetti di ricerca nel campo ICT del programma H2020.
Per citarne alcuni: INDIGO DataCloud (2015-2017) che si proponeva di realizzare una PaaS (Platform-as-a-Service) che permetta agli utenti finali di accedere in modo trasparente ed efficiente alle risorse di calcolo e storage rese disponibili da infrastrutture eterogenee e geograficamente distribuite; DEEP-Hybrid DataCloud (2017-2019) che ha esteso le soluzioni sviluppate in INDIGO ponendo particolare attenzione all’orchestrazione di deployment multi sito e all’uso di hardware specializzato, indispensabili per l’esecuzione di algoritmi di deep e machine learning; eXtreme-DataCloud (2017-2019) che ha studiato e sviluppato soluzioni di storage a livello exabyte, di sistemi di cache intelligenti e di accesso ottimizzato a risorse di storage distribuite; etc.
La rapida e variegata evoluzione delle tecnologie hardware e software a supporto del calcolo parallelo sta portando ad una diffusione dei siti HPC. Sempre più gruppi di ricerca si avvicinano a queste tecnologie, bisognosi di quantità progressivamente maggiori di storage e potenza di calcolo. Il data center ReCaS-Bari offre già da tempo soluzioni per il calcolo parallelo, un sistema di memorizzazione distribuito e personale specializzato nel supporto agli utenti.
La progettazione di una applicazione da eseguire su una infrastruttura parallela richiede una conoscenza adeguata. L’implementazione del calcolo distribuito ne è solo il primo passo. La gestione degli errori dei processi distribuiti e l’utilizzo efficiente delle risorse assegnate, sono requisiti necessari e allo stesso tempo ambiziosi. Il supporto di gruppi di ricerca e aziende che forniscono librerie e applicazioni gia' ottimizzate per il calcolo parallelo, minimizzano gli sforzi necessari allo sviluppo di applicazioni distribuite.
Le schede grafiche (Graphical Processing Unit, GPU) hanno permesso di raggiungere un livello superiore di prestazioni rispetto ai processori (Control Processing Unit, CPU), a scapito di un aumento della complessita'. L'enorme quantità di core presenti e il massiccio parallelismo offerto, rendono le GPU nettamente superiori alle CPU nelle applicazioni altamente ripetitive e parallele. Applicazioni scientifiche che utilizzano elaborazioni video, modelli climatologici e fluidodinamica e algoritmi di intelligenza artificiale non possono più esimersi dall'impiego delle GPU.
Bent ALPIDE silicon pixel sensor under investigation in a beam test setup. (Courtesy of ALICE ITS project)
In high-energy physics experiments, tracking is the ability to reconstruct the trajectory followed by all the particles produced in the collision under investigation. Silicon based sensors are often the best choice for the design of the tracking layers closest to the interaction point.
For example, this is true in the four main detectors collecting data at the LHC particle accelerator facilities.
In view of the upcoming (Run 3, starting from 2022) and future (Run 4, starting from 2027) LHC colliding program, all the experiments and the accelerator itself completed or are working for the improvement of their components. Specifically, CMS and ALICE Collaborations foresee a major upgrade of their silicon tracking systems.
Researchers and technicians in Bari INFN team are strongly involved in the design, prototyping, construction and characterisation of these new highly innovative detectors.
The observation of the Universe in the multimessenger era has just started. Several new-generation detectors have been proposed to improve the results of current experiments with enhanced discovery capabilities. In particular, gamma-ray astrophysics has a key role in understanding the mechanisms which regulate the processes in our Universe.
The High Energy cosmic-Radiation Detection (HERD) facility is a future satellite experiment to be installed on the Chinese Space Station by the end of 2027. Its main goal is the detection of cosmic rays and gamma rays.
To identify the nature of incoming particles, the Plastic Scintillator Detector (PSD) is being developed in Italy, with a leading role of INFN Bari.
Space has always been a privileged observation point for the study of primary cosmic rays and for the investigation of the nature of astrophysical phenomena using gamma rays.
Satellite experiments for cosmic rays and gamma rays need accurate and efficient particle identification and precise reconstruction of the energies and of the directions of incoming particles, which are performed using different kinds of detectors in synergy.
One of the key elements of these experiments are the tracking systems. In the case of gamma rays, the tracker acts as a converter, allowing to track the charged particles produced in the gamma-ray interactions to reconstruct their arrival direction.
The observation of the Universe in the multimessenger era has just started. Several new-generation detectors have been proposed to improve the results of current experiments with enhanced discovery capabilities. In particular, gamma-ray astrophysics has a key role in understanding the mechanisms which regulate the processes in our Universe.