ANALISI NUMERICA E SPERIMENTALE DEL SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO DELL’ESPERIMENTO BARREL TIMING LAYER PER CMS AL CERN

The Large Hadron Collider, better known as the LHC, as well as the world's largest particle accelerator, will enter a new phase starting in 2027 (HL-LHC: high luminosity era). The lighting conditions to which it will be subjected have never been reached until now and provide for the integration of an MTD detector (MIP timing detector) inside CMS (Compact Muon Solenoid). All this must respect both the scientific constraints closely linked to the objectives of the program, and the engineering ones, linked instead to the design and therefore to the mechanical strength properties, the heat removal capacity, and the resistance to the strong irradiation to which the system will be subjected. The system is designed to detect minimal ionizing particles (MIP) with an accuracy of 30 ps and an airtight coverage of up to |η| = 3 (η refers to the polar angle of a particle with respect to the reference direction, is therefore an indicator of the goodness of the measurements). The MTD is composed of two main sections: BTL (Barrel Timing Layer) and ETL (Endcap Timing Layer); the focus will be on the first, located between the OT (Outer Tracker) and the ECAL (Electromagnetic Calorimeter). BTL It will be the central Barrel based on LYSO crystals read with SiPM and two end-caps instrumented with radiation-resistant low-gain avalanche detectors (LGAD). All this translates into a gain of 20% effective brightness when looking at Higgs Boson events that decay into a pair of B quarks and two photons. In particular, the thesis work will focus on the cold plate and the components that are directly interested in cooling through it, to maximize the heat exchange performances that are fundamental for the purposes of time accuracy of detection, being present electronic components inside BTL particularly sensitive to temperature. In the initial chapters we deal with the thermal characterization of the cold plate, at T environment, to find the conditions that lead to an optimal heat exchange. following this series of tests the cold plate has been inserted in an environment at about -35 ° C, where the behavior will be monitored in conditions more similar to the operating ones. All experimental analyses are supported by numerical analyses that are carried out both to predict possible behaviors of the components and thus facilitate experimental measurements and to have feedback on the correct functioning of the measurement sensors, but even more so to obtain realistic boundary conditions that allow to achieve a reliable numerical model. In particular, a simple model was created for the control of the cold plate, validated both at room temperature and in the fridge, and then a more complex model, based on the validated model, which combines different components to predict behaviors that could save a lot of time in setups and experimental tests. In this final model (chapter 9) the various data obtained from experimental tests and the study of electronic components are combined. The model aims to be a reference for the development of the project. It can in fact be used to predict the behavior of the system following any changes that may be necessary consistently with future developments, but it is also particularly useful in the pre-experimental phase, where some setups can be excluded a priori to carry out only necessary tests. The following thesis work lays the foundation for a more orderly, fast, and efficient experimental analysis. The model that has been obtained will be an important starting point, which will have to be updated as the experimental tests continue, to give constant feedback on the design choices that are made.

Il Large Hadron Collider, meglio noto come LHC, nonché l’acceleratore di particelle più grande al mondo, entrerà in una nuova fase a partire dal 2027 (HL-LHC: high luminosity era). Le condizioni di luminosità a cui sarà sottoposto non sono mai state raggiunte sino ad ora, e prevedono l’integrazione di un rivelatore MTD (MIP timing detector) all’interno di CMS (Compact Muon Solenoid). Il tutto dovrà rispettare sia i vincoli scientifici strettamente collegati agli obiettivi del programma, sia quelli ingegneristici, collegati invece al design e quindi alle proprietà di resistenza meccanica, alla capacità di asportazione del calore e alla resistenza alla forte irradiazione a cui sarà sottoposto il sistema. Il Sistema è progettato per rilevare particelle ionizzanti minime (MIP) con una precisione di 30 ps e una copertura ermetica fino a |η|=3 (η fa riferimento all’angolo polare di una particella rispetto alla direzione di riferimento, è quindi un indicatore delle bontà delle rilevazioni). L’MTD è composto di due sezioni principali: BTL (Barrel Timing Layer) e ETL (Endcap Timing Layer); si concentrerà l’attenzione sul primo, posizionato tra l’OT (Outer Tracker) e l’ECAL (Electromagnetic Calorimeter). BTL Sarà il Barrel centrale basato su cristalli LYSO letti con SiPM e due end-cap strumentati con rilevatori a valanga a basso guadagno (LGAD) resistenti alle radiazioni. Tutto questo si traduce in un guadagno del 20% di luminosità effettiva quando si guarda ad eventi del Bosone di Higgs che decadono in una coppia di quark B e due fotoni. In particolare, il lavoro di tesi sarà incentrato sulla cold plate ed ai componenti che sono direttamente interessati al raffreddamento mediante essa, in modo da massimizzare le prestazioni di scambio termico che sono fondamentali ai fini della precisione temporale di rilevazione, essendo presenti componenti elettronici all’interno di BTL particolarmente sensibili alla temperatura. Nei capitoli iniziali si tratta la caratterizzazione termica del cold plate, a T ambiente, per trovare le condizioni che portano ad uno scambio termico ottimale. a seguito di questa serie di prove la cold plate è stata inserita in un ambiente a -35 °C circa, dove verrà monitorato il comportamento in condizioni più simili a quelle operative. Tutte le analisi sperimentali sono supportate da analisi numeriche che vengono svolte sia per prevedere possibili comportamenti dei componenti e quindi facilitare le misurazioni sperimentali e sia per avere un riscontro sul corretto funzionamento dei sensori di misura, ma ancor di più per ottenere delle condizioni al contorno realistiche che permettano di raggiungere un modello numerico affidabile. In Particolare, si è eseguito un semplice modello per il controllo del cold plate, validato sia a temperatura ambiente e sia in frigo, e poi un modello più complesso, basato sul modello validato, che combina diversi componenti per prevedere dei comportamenti che potrebbero risparmiare diverso tempo nei setup e nelle prove sperimentali. In questo modello finale (capitolo 9) si combinano i vari dati ricavati dalle prove sperimentali e dallo studio della componentistica elettronica. Il modello ha l’obiettivo di essere un riferimento per lo sviluppo del progetto. Può infatti essere utilizzato per prevedere il comportamento del sistema in seguito ad eventuali modifiche che potrebbero essere necessarie coerentemente a sviluppi futuri, ma risulta anche particolarmente utile in fase pre-sperimentale, dove alcuni setup possono essere esclusi a priori per effettuare solo prove necessarie. Il seguente lavoro di tesi pone le basi per un’analisi sperimentale più ordinata, veloce ed efficiente. Il modello che si è ottenuto sarà un punto di partenza importante, che dovrà essere aggiornato man mano che le prove sperimentali proseguono, per dare un riscontro costante sulle scelte progettuali che si compiono.