Trigger rendszerek az LHC- n

Válogato( fejezetek a kísérle3 részecskefizikából

Trigger rendszerek az LHC-‐n Gabriella.Pá[email protected]

Emlékeztető • 

Bombázó részecskenyaláb Céltárgy részecskéje

Hatáskeresztmetszet: [σ] = m2 = 1028 barn

A kölcsönhatási valószínűség mértéke Tipikus hatáskeresztmetszet részecskefizikában: 1 pb = 10-‐40 m2 = 10-‐36 cm2

•  Luminozitás: [L] = m−2 s−1 A részecskenyaláb sűrűségének mértéke Tipikus LHC luminositás: 1034 cm−2 s−1 = 0.01 pb−1s−1 •  Kölcsönhatások száma: N = σ ·∙ ∫Ldt

Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

2

Az LHC

Proton/csomag: 1.15·∙1011 1.7·∙1011 @ 2012 Csomag/nyaláb: 2808 1380 @ 2012 Pillanatnyi luminozitás: 1034 cm-‐2s-‐1 0.33·∙1034 @ 2011 0.77·∙1034 @ 2012 Integrált luminozitás: 0.04 g-‐1 @ 2010 (“beindítás”) 6.1 g-‐1 @ 2011 (“megismerés”) 23.3 g-‐1 @ 2012 (“termelés”)

Tömegközéppon6 energia: 14 TeV 7 TeV @ 2011 8 TeV @ 2012 13 TeV @ 2015 Csomag találkozás: 40 MHz 20 MHz @ 2011-‐12 Adatrögzítés (ATLAS, CMS): ∼400 Hz @ 2011-‐12 ∼1000 Hz @ 2015 → ∼1/40 000 nyalábtalálkozás


3

A kihívás

A folyamat bekövetkezésének gyakorisága proton - (anti)proton cross sections 9

9

10

10

8

8

σtot

10

7

10

10

Tevatron

LHC

7

10

5

10

5

10

σb

4

10

4

10

3

3

10

2

10

jet

σjet(ET

10

> √s/20) σW σZ

10

> 100 GeV)

10

1

10

0

10

jet

σjet(ET

2

10

1

0

-1

10

-1

-2

10

10

-2

10

σWW

-3

10

{

-4

10

-5

10

-3

10

σ σZZt σggH

MH=125 GeV

-4

10

σWH

-5

10

σVBF

-6

10

-2 -1

6

33

10

events / sec for L = 10 cm s

6

10

σ (nb)

HE LHC

•  Csak ~3 Higgs-‐bozon keletkezik 1010 pp ütközésből! •  Csak ~2 menthető el 105 csomagtalálkozásból (à trigger rendszer) •  A há(éresemények kísérte3esen hasonlíthatnak a kerese( Higgs (vagy más érdekes) jelre •  2012: csomag találkozásonként átlagosan ~20 (max ~40) p-‐p kölcsönhatás

-6

10

WJS2012 -7

10

-7

0.1

1

√s (TeV)

10

10


4

Higgs keresés az LHC-‐n


5

Trigger (Oxford Dic3onary) Noun 1 A small device that releases a spring or catch and so sets off a mechanism, especially in order to fire a gun 1.1 An event that is the cause of a par3cular ac3on, process, or situa3on Verb [with object] 1 Cause (a device) to func3on 1.1 (also trigger something off) Cause (an event or situa3on) to happen or exist Origin Early 17th century: from dialect tricker, from Dutch trekker, from trekken 'to pull’.


6

Trigger rendszerek Terminológia •  “Online” adatgyűjtés a detektorrendszerrel •  “Offline” adatelemzés (objektum és esemény kiválogatás op3malizálása, há(ér becslés / modellezés, sta3sz3kai módszerek, hatáskeresztmetszet mérés, korlátok új fizikai modellekre, …)

A kísérletek (pl. az LHC részecskeütközései) rengeteg adatot szolgáltatnak, amelyet még online ki kell válogatni, hiszen mindet nem tudjuk eltárolni offline elemzésre Trigger = gyors online adatszűrő, amely kiválasztja az érdekes eseményeket


7

Adatmennyiség különböző kísérletekben L1 rate (Hz)


8

Miért nem tartunk meg minden eseményt? •  Esemény méret: ∼1 MB •  Esemény rekonstrukcióhoz szükséges idő: ∼1 s •  1 kHz trigger kimenet (2015-‐ben) → 1 GB/s •  100 nap adatgyűjtés, 60% időkihasználással: 24·∙60·∙60·∙0.6 s ≈ 50 000s → 50 PB/év •  Ha minden eseményt eltárolnánk: 1 kHz → 40 MHz 50 PB/év → 200 000 PB/év •  1 s ala( gyűjtö( események rekonstrukciójához szükséges idő: ∼ 1.3 CPU év lenne, azaz összesen > 60 000 CPU év •  Túl sok adat!!! Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

9

ATLAS eseményméret

Stabil adatgyűjtés Esemény méret függ a pillanatnyi luminozitástól (a pile-‐up kölcsönhatásokból származó részecskék mia()


10

Pile-‐up avagy esemény halmozódás •  Z→μ+μ− esemény jelölt (ATLAS 2012) •  25 rekonstruált ütközési csomópont (vertex) •  Töltö( részecske nyomok az ábrán •  pT > 0.4 GeV •  Min. 3 Pixel és 6 SCT detektor beütés •  LHC részecskecsomag mérete: •  σx ∼ σy ∼ 15 μm •  σz ∼ 45 – 50 mm •  ∼1011 p/csomag


11

Pile-‐up avagy esemény halmozódás CMS

Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából 78 reconstructed ver3ces in event from LHC high-‐pileup run 198609

12

Pile-‐up avagy esemény halmozódás CMS

Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából 78 reconstructed ver3ces in event from LHC high-‐pileup run 198609

13

Z → μμ jelölt 11 rekonstruált vertex

Pile-‐up Recent Hogyan Z->μμ lehet event in ATLAS. megtalálni With 11 reconstructed az érdekes fizikai vertices. folyamatokat egy Tracks with transverse analízisben ilyen sok momentum above részecske közö^? 500MeV are shown (PT>0.5GeV).

Töltö^ részecskék pT>0.5 GeV impulzussal

How can we do physics analysis with such a mess of tracks in the detector?

20 Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

14


Pile-‐up Recent Hogyan Z->μμ lehet event in ATLAS. megtalálni With 11 reconstructed az érdekes fizikai vertices. folyamatokat egy Tracks with transverse analízisben ilyen sok momentum above részecske közö^? 2.0GeV are shown (PT>2.0GeV).


How can we do physics analysis with such a mess of tracks in the detector?

21 Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

15


Pile-‐up Recent Hogyan Z->μμ lehet event in ATLAS. megtalálni With 11 reconstructed az érdekes fizikai vertices. folyamatokat egy Tracks with transverse analízisben ilyen sok momentum above részecske közö^? 10GeV are shown (P T>10GeV). Csupán a nagy(obb)


impulzusú részecskéket tekintve az ütközési esemény sokkal 3sztábbá, átláthatóbbá How can we do válik, és a fizikai analízis physics analysis with leegyszerűsödik such a mess of tracks in detector? → the Keressünk nagy energiájú By applying a acut objektumokat on detektorunkban már the object momentum online! the event becomes

much cleaner and easier to analyze 22 Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

16

Az ideális trigger •  Gyors •  Erősen csökken3 az eseményszámot •  Nagy hatásfokú az érdekes eseményekre –  Amelyik esemény elbukik a trigger szelekción az örökre elveszik! •  Rugalmas •  Redundáns (egy érdekes esemény több feltételt is teljesít) •  Megfizethető


17

Trigger objektumok •  Nagy tranzverzális impulzusú leptonok (elektron, müon, tau lepton) és fotonok •  Nagy tranzverzális impulzusú hadronzáporok •  Nagy tranzverzális (vagy hiányzó) energia

High-‐pT photon

High-‐pT electron

High-‐pT jet

High-‐pT muon


18

ATLAS and CMS trigger rendszer Az adatmennyiség csökkentése több lépésben


19

ATLAS és CMS trigger rendszer •  Level 1: Dedikált, célra terveze( hardware és firmware → nagyon gyors

–  Nem teljes információ (muon detektorok + kaloriméterek, kisebb felbontás) –  40 MHz → 100 kHz

•  High-‐level (magas-‐szintű) trigger (HLT): Számítógép farm, so…ware, 1 vagy 2 lépcsőben

–  Level 2: a Level-‐1 objektum körüli régió rekonstrukciója egyszerűsíte( algoritmussal, rela†van gyors, tovább csökken3 az esemény számot a teljes rekonstrukció elő( •  Minden detektor adatai elérhetők egy ado( detektorrészre (“region of interest”, RoI) •  Pontosabb rekonstrukció •  100 kHz → néhány kHz

–  Level 3: offline-‐szerű teljes esemény rekonstrukció

•  Minden detektor adatai elérhetők a teljes detektorra teljes felbontással •  Magas minőségű rekonstrukció •  néhány kHz → néhány 100 Hz


20

Higgs kereste3k!

Level 1


21

Higgs kereste3k!

Level 2


22

Higgs kereste3k!

Level 3


23

Mit látunk online és offline?

X X X hosszú éle(artamú a detektorban bomlik el


24

Mit látunk online és offline?


25

L1 hardware trigger •  A bemenő adatsebességgel (40 MHz @ LHC) lépést kell tartania, különben a trigger időt (és ezzel pénzt) veszteget •  Eseménytárolás (buffering) a detektoron drága •  Párhuzamos feldolgozás amennyire csak lehetséges •  Alkalmazás specifikus elektronika, amit kifejeze(en a gyors döntéshozatalra terveznek –  ASIC (Applica3on Specific Integrated Circuit, alkalmazás specifikus integrált áramkör) –  FPGA (Field Programmable Gate Array, a felhasználás helyén programozható logikai kapumátrix


26

L1 trigger késleltetés (latency)


27

L1 kaloriméter trigger •  Több fizikai objektumra is érzékeny –  Elektron, foton (csak EM) –  Tau, hadron zápor (EM + hadron) –  Teljes ET, hiányzó ET pl. neutrinó, sötét anyag keletkezésből

•  Kaloriméter objektum: energia klaszter (azon szomszédos cellák csoportja, ahová az elhaladó részecske leadta az energiáját)


28

ATLAS L1 EM és tau trigger objektum •  A kaloriméterben celláiban leado( energiát tornyokban összeadjuk •  Néhány toronyból álló csoportokat hozunk létre egy ado( méretű ablakon belül •  A kaloriméter teljes térfogatát átpásztázzuk, hogy nagy energiájú csoportokat találjunk (sliding window) •  A helyi maximumok adják meg a kaloriméter trigger klasztereket •  A trigger döntést a klaszter energia (> energia korlát) és a körülö(e lévő energia (< izolációs energia korlát) vizsgálatával hozzuk meg Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

29

ATLAS L1 calorimeter jet trigger Region-‐of-‐interest defined by the 2x2 local maximum transverse energy cluster

•  Possibility to trigger on 2x2, 3x3 or 4x4 L1 jets •  Op3mal window size depends on desired jet mul3plicity •  Larger window contains be(er the jet energy •  Smaller sizes are be(er in resolving close-‐by jets


30

CMS L1 muon trigger


31

ATLAS L1 trigger (LHC Run 1) L1 müon és kaloriméter trigger kimenetét a közpon3 trigger processzor dolgozza fel •  Időben szinkronizálja az bemenő jeleket •  Kombinálja a jeleket és alkalmazza a trigger logikát •  Prescale és pass-‐through faktorokat figyelembe veszi •  Pl. PS=5, csak minden 5. eseményre vizsgálja meg a döntést •  Pl. PT=10, minden 10. eseményt az ado( trigger döntésétől függetlenül elfogad •  Kezeli a hol3dőt •  Kiadja a végső L1 trigger döntést Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

32

L1 nyomkövető trigger •  • 

Jelenleg a L1 triggerek müon detektorokat és kalorimétereket használnak –  Sok ezer csatorna, gyors alakfelismerés Belső nyomkövető detektorok –  Sok (†z)millió csatorna –  Komplex alakfelismerés –  Nem lehetséges az adaŒorgalom 40 MHz-‐en! ATLAS / CMS detektor upgrade után: L1Track trigger

•  ATLAS Fast Track Trigger: 2015 telepítés, üzembehelyezés, beüzemelés •  L1 kaloriméter trigger kimenő sebességével működik, 100 kHz •  A pixel és strip szilícium félvezető detektorok jelét használja, erősen párhuzamos architertúrával •  Asszocia†v memóriák segítségével végzi a nyomfelismerés (pa(ern recogni3on, track finding) •  FPGA-‐k rekonstruálják a töltö( részecske nyomokat (track fit) •  A teljes offline nyom rekonstrukció felbontását megközelítő információt szolgáltat a HLT bemenetére (hélix paraméterek és beütések minden pT>1 GeV nyomra a teljes detektorban vagy csupán egy részében, a ROI-‐ben) •  Felhasználás: részecske izoláció töltö( nyomok segítségével, b-‐jet felismerés (másodlagos vertex), online pile-‐up mérés Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

33

2012

ATLAS Trigger in 2012 TDAQ in 2012 Trigger

DAQ <2.5 s

Level 1

40 MHz

40 MHz 20 MHz

Detector Read-Out L1 Accept

75 (100) kHz 70 kHz

Regions Of Interest

~40 ms

Level 2

~10% ROI Requests

~4 sec

~ 300 Hz 1 kHz

High Level Trigger

FE

FE

ROD

ROD

ROD

ATLAS Event 1.5 MB/25 ns 1.6 – 1.2 MB/50 ns

112 (150) GB/s 100 GB/s

ROI data (~2%)

Data Collection Network

Event Builder

L2 Accept

~6 GB/s 10 GB/s

SubFarmInput

1s

Event Filter

FE

ReadOut System

75 ms

~ 4 kHz 6.5 kHz

Calo/Muon Detectors Other Detectors

ATLAS Data Trigger Info

EF Accept

Back-End Network SubFarmOutput

DataFlow

~ 450 MB/s 1.6 GB/s 1


34

Run2 HLT egamma sequence HLT algoritmusok igen nagyban hasonlítanak az offline rekonstrukciós és azonosítási módszerekre Különbségek főként a sok időt igénylő eljárásoknál vannak (pl. az ATLAS-‐ban online nem használjuk a legpontosabb elektron nyom fi(elési módszert), illetve a detektorok kalibrációjának és adatminőségének nem tökéletes ismeretéből adódnak


35

Trigger hatásfok és 3sztaság •  Példaként ATLAS elektron trigger, ET > 24 GeV •  Hatásfok az offline rekonstrukcióhoz képest •  Tisztaság becslés a Monte Carlo szimuláció alapján várt W à ev és Z à ee bomlásokból származó elektronokhoz képest


36

Trigger menü A különböző trigger komponensek által átlagosan kiválaszto( esemény szám egységnyi idő ala(


37

Higgs keresési / mérési csatornák

125

H➝γγ: Jó felbontás két-‐foton trigger H➝ZZ➝llll: “Golden channel”, ritka egy-‐, két-‐ és három-‐lepton trigger (e/μ) H➝WW➝lνlν: Gyakori, kis felbontású egy-‐ és két-‐lepton trigger (e/μ) H➝ττ: Legérzékenyebb fermionos csatorna e+𝜏, μ+𝜏, 𝜏𝜏 triggerek (+hadronzápor, VBF) H➝bb: Csak ZH, WH, Hqq keletkezésben észlelhető egy-‐ és két-‐lepton trigger, VBF trigger, … H➝WW➝lνqq: Nagy tömegre egy-‐lepton trigger H➝ZZ➝llνν, llqq: Nagy tömegre

egy-‐ és két-‐lepton trigger Pásztor: Válogato( fejezetek a részecskefizikából

38

Trigger rendszerek az LHC- n

Recommend Documents