EvaluierungInstitut für Hochenergiephysik

Wien, 5. Feb. 2002

Claudia-Elisabeth Wulz

Projekt CMS-Trigger

Physikalische Zielsetzungen von CMS

Standardmodell-PhysikStandardmodell-PhysikQCD, elektroschwache Theorie (Higgs, W, Z, Top, Jets, …)

SupersymmetrieSupersymmetrieSUSY-Higgsbosonen, andere supersymmetrische Teilchen, ...

Andere Erweiterungen des StandardmodellsAndere Erweiterungen des StandardmodellsCompositeness, Technicolor, Leptoquarks, neue schwere Vektorbosonen, ...

B-PhysikB-Physik CP-Verletzung, B0-B0 Oszillationen, seltene B-Zerfälle, ...

SchwerionenphysikSchwerionenphysikQuark-Gluon-Plasma

Physik bei kleinen WinkelnPhysik bei kleinen Winkeln total, elastische Streuung, Diffraktion

Neue PhänomeneNeue Phänomene

CMS-Detektor

Wirkungsquerschnitte

Wirkungsquerschnitte für verschiedene Prozesse variieren über viele Größenordnungen

• inelastisch: 109 Hz• W lv: 100 Hz• tt: 10 Hz• Higgs (100 GeV): 0,1 Hz• Higgs (600 GeV): 0,01 Hz

Erforderliche Selektivität 1 : 10 10 - 11

-

Trigger Levels in CMS

Level-1 TriggerMakrogranulare Information aus Kalorimetern und Müonsystem (e, , Jets, ET

missing)Schwellwert- und Topologiebedingungen möglichEntscheidungszeit: 3,2 sEingangsrate: 40 MHz Ausgangsrate: bis zu 100 kHzSpeziell entwickelte Elektronik

High Level Trigger (mehrere Stufen)Genauere Informationen aus Kalorimetern, Müonsystem und TrackerSchwellwert-, Topologie-, Massenbedingungen u.a. sowie Vergleiche mit anderen Detektoren möglichEntscheidungszeit: bis zu einigen msEingangsrate: bis zu 100 kHzAusgangsrate (Datenakquisition): ca. 100 HzIndustrielle Prozessoren und Switching-Netzwerk

Level-1 Trigger

GLOBAL TRIGGER

CalorimeterLocal Trigger

DTLocal Trigger

CSCLocal Trigger

Regional CalorimeterTrigger

Regional CSCTrigger

RPCTrigger

CSCHits

RPCHits

DTHits

Calorimeterenergy

Global CalorimeterTrigger

Global Muon Trigger

Regional DTTrigger

Regionaler Drift-Tube Müontrigger

Track Finder Processor• Pipeline-Logik (kein sequentieller Prozessor)• Jede Pipeline-Stufe führt einen Prozeßschritt durch• Arbeitet mit 40MHz (Strahlkreuzungsfrequenz des LHC)• Implementierung mit FPGA’s

Regionaler Drift-Tube Müontrigger

SectorReceiver

Unit

ExtrapolatorUnit

LinkerUnit

ParameterAssignment

UnitTS

Die lokale Triggerelektronik jeder Müonstation liefert 2 Spursegmente, die gegeben sind durch: • Ortswinkel (12 bit) • Ablenkwinkel b (10 bit)• Segmentqualität (3 bit)

Track Finder Processor• sucht zu einer Müonspur gehörendende Spursegmente• eliminiert Spurkandidaten mit niedrigerer Qualität• weist Spuren physikalische Parameter zu (pT, Winkel) • übergibt die 2 besten Spuren an die Sortierstufe (Wedge Sorter)

TRACK FINDER PROCESSOR

INREC_OPINREC_OP

INREC_NINREC_N

INREC_WZ_WLINREC_WZ_WL

INREC_WZ_WRINREC_WZ_WR

INREC_WZ_ZLINREC_WZ_ZL

INREC_WZ_ZRINREC_WZ_ZR

EXTRAPOLATORBEXTRAPOLATOR

B

PIPE_SEL_1PIPE_SEL_1

PIPE_SEL_2PIPE_SEL_2

PIPE_SEL_3PIPE_SEL_3

EXTRAPOLATORAEXTRAPOLATOR

A

LINKERLINKER

PARASS_APARASS_A

PARASS_BPARASS_B

PLD 20K300E_672

PLD1K50FC_484

PLD1K50FC_484

PLD1K50FC_484

PLD1K50FC_484

PLD1K50FC_484

PLD20K400E_672

PLD20K400E_672

PLD20K300E_672

PLD1K100FC_484

PLD1K100FC_484

PLD1K100FC_484

PLD20K300E_672

PLD20K300E_672

CONTROLLERCONTROLLER

PLD1K100FC_484

JTAG CONTR.JTAG CONTR.

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC2CONF.EPC2

CONF.EPC8CONF.EPC8

CONF.EPC8CONF.EPC8

CONF.EPC8CONF.EPC8

Con

nect

or 6

8pC

onne

ctor

68p

Con

nect

or 6

8pC

onne

ctor

68p

Con

nect

or 6

8pC

onne

ctor

68p

Con

nect

or 6

9pC

onne

ctor

69p

Con

nect

or 6

9pC

onne

ctor

69p

I / O NEIGHBOURS

Con

nect

or. 3

*32

Con

nect

or 5

*22

C

onne

ctor

5*2

2C

onne

ctor

5*2

5C

o nne

c tor

5*2

5C

o n.5

* 11

CONFIGURATION

2 TS with parameters

2 Track Addresses for faster Sorting

Theta for Matching

Track Finder (rz-Projektion)

• Spuren bilden vom Kollisionspunkt ausgehende gerade Linien.

• Eigenständiges Track Finding durch

Mustervergleiche

• Berechnungdes Wertes

• Matching mit den (r/-Spuren

Track Finder Crate

Sektorprozessor-PrototypSektorprozessor-Prototyp

Globaler Müontrigger

•Output:8 bit , 6 bit , 5 bit pT, 1 bit charge, 3 bit quality, 1 bit MIP, 1 bit Isolation

4 DT4 DT 4 CSC4 CSC8 RPC8 RPC

Besten 4 von CMS zum Globalen TriggerBesten 4 von CMS zum Globalen Trigger

Matching, PaarsucheRangbestimmung

Parameterkombination

Selektion (Unterdrückungvon “Ghosts”)

Sortieren (Zentralbereich)

Endsortierstufe

Matching, PaarsucheRangbestimmung

Parameterkombination

Selektion (Unterdrückungvon “Ghosts”)

Sortieren (Vorwärtsbereich)

Platine des globalen Müontriggers

Logikdesign für FPGA‘s abgeschlossen, VHDL-Simulation begonnen

Effizienz des globalen Müontriggers

gen

Gute Effizienz ohne Überschreitung von Ratenvorgaben erreicht.

Gesamteffizienz = 96.9 %

Globaler Trigger

Für die Physikdatennahme verwendet der globale Trigger nur Information der Kalorimeter und des Müonsystems. Sie besteht aus speziellen makrogranularen Triggerdaten. Die volle Information steht erst dem Higher Level Trigger zur Verfügung. Spezielle Signale von allen Subsystemen können für Kalibrations-, Synchronisations- und Prüfzwecke verwendet werden (technische Trigger). Das TTC-System ist ein optisches Verteilernetzwerk, das zur Übertragung des Level-1-Accept- Signals (L1A) und von Zeitinformation (LHC clock etc.) zwischen dem Trigger und der Detektorelektronik dient. Das Trigger Control System steuert die Ausgabe von L1A-Signalen und “Bunch Crossing Zero” sowie “Bunch Counter Reset” Befehlen. Die Möglichkeit der Reduzierung der Triggerrate im Fall von imminenter Speicherüberbelegung ist vorgesehen. Der “Event Manager” steuert den High Level Trigger und die Datenakquisition.

Module des globalen Triggers

PSB (Pipeline Synchronising Buffer) InputsynchronisationGTL (Global Trigger Logic) LogikFDL (Final Decision Logic) L1A-EntscheidungTIM TimingGTFE (Global Trigger Frontend) Readout

L1Ato TTC, DAQ

FromTTC

FromDetector

L1Ato TTC, DAQ

ToDAQ

FromTTC

Backplane with point-to-point and readout links

PSB GTL FDL TIM GTFE

Prototyp eines PSB-Synchronisationsmoduls

6 Eingangskanäle, 1 Synchronisationschip für je 2 Kanäle

Crate des globalen Triggers

Algorithmenlogik (GTL-Platine)

Objektbedingungen

Objektbedingung für 2 gegenüber liegende isolierte Elektronen Objektbedingung für 2 gegenüber

liegende isolierte Müonenmit gesetzten MIP-Bits

Objektbedingungen sind: ET oder pT Schwellen, /-Fenster, Bitmuster für Isolation, Qualität, Ladung und räumliche Korrelationen (, ) zwischen Objekten. Sie werden in den Condition Chips berechnet.

eis.(1)

eis.(2)

ET(1) > ET(1)threshold

ET(2) > ET(2)threshold

0o ≤ (1) < 360o

0o ≤ (2) < 360o

170o ≤ |(1) - (2)| < 190o

+(1)

μ-(2)

pT(1) > pT(1)threshold

pT(2) > pT(2)threshold

0o ≤ φ(1) < 360o

0o ≤ φ(2) < 360o

170o ≤ |φ(1) - φ(2)| < 190o

ISO(1) = 1, ISO(2) = 1MIP(1) = 1, MIP(2) = 1SGN (1) = 1, SGN(2) = -1

Algorithm AND-OR

ETmissing

OR

Particle Condition formissing ET

Particle Conditions for muons

Particle Conditions for isolated electrons

ET(eis.) > ET(eis.)threshold pT(μ) > pT(μ)thresholdET

missing > ETthreshold

OR

ALGORITHM AND-OR

ANDAND

eis .

ETmiss ing

eis . μ

Beispiel eines 2-Lepton-Triggers mit gegenüber liegenden Leptonen in

Trigger Control System

Grundlegendes Konzept erarbeitet, endgültiges Design noch im Fluß, da starke Wechselwirkung mit den anderen Subsystemen notwendig.Wichtigste Punkte des Konzepts:Zentrale SteuerungAblauf von Physikdatennahme, Kalibration und Tests wird zentral gesteuert. Wesentliche Mitarbeit in Calibration Control Working Group.PartitionierungTeile können parallel und unabhängig voneinander sowie in Gruppen laufen. Das Auslesesystem ist eine eigene Partition. Sogar verschiedende Physiktrigger können parallel laufen.Trigger Throttle SystemKontrolle über die Sequenz von Level-1-Accept-Signalen durch an Subsysteme angepaßte Triggerregeln.

Elektroniklayout

Triggersimulation und Müonrekonstruktion Simulation + Rekonstruktion:

Detaillierte Detektorsimulation Präzise Simulation (auf Bit-Level) der Triggerelektronik

des Level-1 Müonrekonstruktion und -selektion (High Level Trigger) Level-2: verwendet nur Müonkammern

(Stand-alone Rekonstruktion) Level-3: inkludiert Trackerinformation

(benützt also Müonkammern, Kalorimeter und Tracker) Aktivitäten:

Berechnung von Triggerraten (Level-1, Level-2, Level-3) Effizienzstudien für interessante Signale (Higgs, SUSY, etc.) Bereitstellung von realistischen “Triggertabellen” für

niedrige und hohe Luminositäten• Kombination von Schwellen, Raten und Effizienzen

Inklusive Müonrate

Rate bis 5 GeV/c wird dominiert durch K/-Zerfälle, zwischen 5 und 25 GeV/c durch c- und b-Quark-Zerfälle

Müonimpulsauflösung im Trigger

Level-1Level-1 Level-2Level-2 Level-3Level-3

Auflösung in 1/pT

1/pT

gemessen−1/pT

generiert

1/ pT

generiert

Müontriggerraten

Müonen im Level-3

Für eine Schwelle von 20 GeV/c:• Rate hauptsächlich von (b/c) (~100 Hz)• W/Z-Rate: 15 Hz für pT > 20 GeV/c

Mit der Auflösung des Level-3: Rate kommt ~ von prompten Müonen

Supersymmetriestudien

Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren

Dileptonstruktur in mSUGRA

Alignmentsystem CCD-Kameras

Müonkammern

LED-Halterungen wurden entworfen und Prototypen hergestellt. Industrielle Fertigung von 1000 Stück erfolgte in Österreich.

Publikationen und Webseiten

Information über Aktivitäten der CMS-Triggergruppe: http://wwwhephy.oeaw.ac.at/p3w/cms/trigger/

Folgende Arbeiten wurden in den Jahren 1999-2001 in referenzierten Journalen veröfffentlicht (ohne Beiträge zu Konferenzen, Schulen und wissenschaftlichen Zeitschriften):• D. Denegri, W. Majerotto, L. Rurua: “Constraining the Minimal Supergravity Model parameter tanb by measuring the dilepton mass distribution at LHC”, hep-ph/9901231, Phys. Rev. D60:035008 (1999) • N. Neumeister: “CMS high-level triggering”, Nucl. Instr. Meth. A462 (2001) 254• C.-E. Wulz: “Concept of the First Level Global Trigger for the CMS Experiment at LHC”, Nucl. Instr. Meth. A473/3 (2001) 231• A. Taurok, H. Bergauer, M. Padrta: “Implementation and Synchronization of the First Level Global Trigger for the CMS Experiment at LHC”, Nucl. Instr. Meth. A473/3 (2001) 243• M. Brugger, M. Fierro, C.-E. Wulz: “Drift Tube Based Pseudorapidity Assignment of the Level-1 Muon Trigger for the CMS Experiment at CERN“, CMS Note 2001/027 (2001), im Druck bei Nucl. Instr. Meth. A

Zusammenfassung

• Die CMS-Triggergruppe hat die alleinige Verantwortung für den regionalen Drift-Tube Trigger, den globalen Müontrigger und den globalen Trigger, inklusive Teile des Trigger Control Systems. In der CMS-Triggerführungsstruktur stellt sie den “Global Trigger Coordinator”.

• Die CMS-Triggergruppe führt parallel zu Konzeption und Bau der Hardwareentwicklung auch die Entwicklung der entsprechenden Simulations-, Prüf- und und Betriebssoftware durch. Die Koordination der gesamten Level-1-Simulationssoftware obliegt ebenfalls der Gruppe.

• Die CMS-Triggergruppe beteiligt sich an Physiksimulationsstudien mit dem Schwerpunkt Supersymmetrie.

• Zur CMS-Triggergruppe gehören zur Zeit die wissenschaftlichen Mitarbeiter J. Erö, M. Fierro, A. Jeitler (Werkvertrag), N. Neumeister, P. Porth, H. Rohringer, L. Rurua, H. Sakulin (CERN-Dissertant), A. Taurok, C.-E. Wulz und die Techniker (geteilt mit anderen Aktivitäten) H. Bergauer, Ch. Deldicque, K. Kastner und M. Padrta.