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Vorlesung 4 CMS II Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück (Peter Schleper) Universität Hamburg.

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1 Vorlesung 4 CMS II Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück (Peter Schleper) Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05

2 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS2 Übersicht  Allgemein: Gas-betriebene Spurkammern  Prinzipien  Von Ionisationskammern über Proportionalzähler zu Geiger- Zählern  MWPC, DC, TPC, MSGC, etc.  CMS: Muon-Detektoren  Motivation  Präzisionskammern zur Spurmessung  Resistive Plate Chambers zum Triggern  ATLAS  Einführung  Trigger

3 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS3 1. Gas-betriebene Spurkammern

4 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS4 Ionen/Elektronen in Feldern Drift und Diffusion Zwei Effekte: -- Diffusion der Ladungswolke Immer da durch Abstossung der Ladungen und ihre thermische Bewegung. Maxwell, v e =10 6 cm/s, v ion =10 4 cm/s Diffusionskoeffizient ( freie Weglänge) -- Drift der Ladungen im elektrischen Feld. Drift-Geschwindigkeit: Ionen niedrig, e - hoch Beweglichkeit (u=Geschwindigkeit): Einstein:

5 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS5 Mechanismen d. Ladungserzeugung Ionisation und Anregung Anregung eines Atoms: X+p  X*+pResonanzprozess  ~ cm -2 Ionisation: X+p  X + +p+e - keine Resonanz  ~ cm -2 primäre  sekundäre Elektronen (  -Rays) Anzahl von Elektron-Ion-Paaren: 1 Paar pro 30 eV einfallender Energie (Argon: Anregung: 11.6 eV, Ionisation 15.8 eV Paar-Erzeugung 26 eV). Auflösung f. ein Teilchen: R=  E/E=2.35  N/N=2.35  (Fw/E) w: Energie f. ein Elektron-Ion-PaarF: Fano-Faktor E: deponierte Energie  E: Fehler auf E (FWHM) N: Anzahl der Ionisationsprozesse.

6 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS6 Ladungserzeugung als Funktion des elektrischen Feldes Ionisationskammer: Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Proportionalkammer: Primäre Elektronen werden beschleunigt und können andere Atome ionisieren (Ionisations- Lawinen). Ionisationsvermögen hängt von kinetischer Energie und damit der Feldstärke ab. Geigerzähler: Die erzeugte Raumladung deformiert das Feld, so dass die Proportionalität verloren geht. Noch später: Kette von Lawinen  Amplitude immer gleich hoch, unabhängig von Anfangsenergie Zusammenbruch: Konstante Entladung  Zerstörung des Detektors.

7 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS7 Lawinen-Multiplikation Beachte: Elektronen sind sehr mobil! Lawine entsteht in der Nähe des Drahtes – nur da ist Feld stark genug! Schnelle Sammlung der Elektronen (~1 ns) Signal auf Elektroden durch Ionen-Drift Elektronen sind mobiler als Ionen; ihre Mobilität µ hängt vom Feld ab. Townsend-Koeffizient: Wahrscheinlichkeit für Ionisation auf Einheits-Wegstrecke ( freie Weglänge) Elektronen auf Strecke dx erzeugt Erzeugte Elektronen auf Strecke x: n(x) = n 0 exp(ax) Multiplikator für Lawine (Gain):

8 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS8 Ionisationskammer Übersicht Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Gutes “toy model” für einige theoretische Überlegungen. V  250 V Lawine Woher kommt das Signal?

9 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS9 Pulsbildung Durch Drift der Ladungsträger Feld und Potential eines Drahtes: Potentielle Energie einer Ladung, Änderung bei Verschiebung Energie des Feldes Energieerhaltung Also Änderung des Spannung! Beitrag der Ionen viel grösser!

10 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS10 Driftkammern Übersicht Homogenes Feld  Driftgeschwindigkeit konstant! Anode FelddrähteElektroden zur Abschirmung Wenig Hardware-Aufwand, aber sorgfältige Wahl des Gases und gutes Design des Feldes nötig (Homogenität!)

11 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS11 Vieldrahtproportionalkammer Multiwire proportional chamber (MWPC), Charpak 1968 Viele Anodendrähte nebeneinander (ohne Abschirmung!) wirken wie viele kleine Proportionalkammern! Jeder Draht kann (dank Transistortechnik) seinen eigenen Verstärker haben. Abstand Anode zu Anode: mm Abstand Anode zu Kathode: mm Potentialdifferenz: n*100 V Feld fast überall homogen! Lawinenbildung erst nahe an Anode, vorher nur Drift! Signal auf mehreren Drähten! Ortsauflösung 0.5*Anodenabstand. Kathodenstreifen: 100 µm Zeitauflösung: ns

12 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS12 Zylindrische Driftkammern Der Standard in HEP Proportionalkammern Viele Driftkammern Jet-Kammer Time Projection Chamber

13 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS13 Zylindrische Driftkammern Der Standard in HEP Tasso-Driftkammer Jade-Jet-Kammer: Mehr Bildpunkte pro radialer Spur. Transversales Feld

14 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS14 Zeitprojektionskammer Time Projection Chamber (TPC) Kombiniere grosse Driftstrecken mit Drahtkammern / Pads zur Auslese an den Enden  Info über r und  -Position (180 µm). Ankunftszeit gibt z-Information (Auflösung ca. 200 µm – gut!) E- und B-Feld parallel  kein Problem mit Lorentz-Winkel.

15 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS15 Zeitprojektionskammer Prinzip der Ortsauflösung Bla

16 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS16 Zeitprojektionskammer Am Beispiel von Aleph Bla

17 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS17 Zeitprojektionskammer Prinzip der Auslese Bla

18 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS18 Zeitprojektionskammer Bilder von Aleph Bla

19 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS19 Zeitprojektionskammer Das erste Aleph-Event-Display

20 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS20 Zeitprojektionskammer … und das letzte

21 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS21 Zeitprojektionskammer Auflösungen bei Aleph

22 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS22 Zeitprojektionskammer Teilchen-Identifikation mit der TPC

23 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS23 Microstrip Gas Chambers Die MWPC in mini – schnell und präzise Driftfeld Verstärker- Folie Anoden

24 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS24 Microstrip Gas Chambers MSGC

25 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS25 2. Myon-Kammern

26 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS26 Pseudo-Rapidität … Vorwärts und Zentral / Barrel   =0  =0.9  =1.3  =2.4

27 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS27 Myonkammern: Motivation pp  H  ZZ*  4 

28 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS28 Myonkammern: Motivation pp  bb   tag +B 0

29 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS29 Myonkammern: Motivation pp  Z   zur Kalibration! Schwere Bosonen/Leptonen

30 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS30 Myonkammern Gesamtansicht aller Systeme

31 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS31 Myonkammern Gesamtansicht aller Systeme im Barrel

32 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS32 Myonkammern Vier Myon-Stationen im Barrel Eine Station enthält drei ver- setzte Lagen (Superlayer) von je vier Lagen Drift-Röhren (gutes BC-Tagging ~ns!). Spurkammern Kalorimeter Solenoid Magnet-Joch Myon-Stationen Zwei Superlayer für r  - Messung, einer für z. Stationen 1 und 2: Je zwei RPC (innen, aussen) Stationen 3 und 4: Eine RPC innen.

33 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS33 Myonkammern Driftkammern im Barrel  niedrige Rate, geringe Teilchenanzahl im Barrel  langsame Driftkammern sind okay.  Röhren (Wand 2mm) schützen Detektor bei Drahtbruch! Auch Entkopplung benachbarter Kanäle.  In Kombination hervorragende Zeit- und Ortsauflösung.  ca Kanäle

34 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS34 Myonkammern Bedeutung des Magnetfelds   x ist Ortsauflösung eines Messpunkts  Starkes B-Feld macht bessere Auflösung (stärkere Krümmung der Spur)  Wichtig: Durchlaufener Radius L: Hebelarm  Myon-Kammern sind ganz aussen. Ortsauflösung der Myon-Kammern ist wichtig für Impulsmessung, und die ist wichtig für Rekonstruktion der invariante Masse z.B. des Higgs.

35 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS35 Myonkammern – Trigger Resistive Plate Chambers: Arbeitsweise  Schnelle Response  BC-ID!  Billiger und einfacher Readout  hohe Segmentierung möglich  gute Myon-p T -Auflösung. Zuerst im Streamer-Mode betrieben: sehr kurzer hoher HV-Puls  Entladungskanäle mit hoher Zeitauflösung! Aber: langsame Erholung! Jetzt: Oberer Rand Proportionalitätsbereich  Ratenverträglich!

36 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS36 RPC: Layout 6 Kammern im Barrel -HV Readout der Streifen (Signal wird induziert) Bakelit Feld Das Feld wird erzeugt durch Aluminium-Folien auf der Rückseite der äußeren Bakelit-Schicht.

37 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS37 Myonkammern Barrel-Station mit DTs und RPCs.

38 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS38 Myonkammern Cathode Strip Chambers in den Endkappen  2D-Readout in einer Kammer  Kleiner Drahtabstand  schnell (gut in Vorwärtsrichtung)  hohe Präzision der Ortsmessung mit Streifen: Interpolation.  Fächerförmige Streifen erlauben einfache  -Messung Kathoden Drähte Myon Streifen Draht Lawine Induzierte Ladung

39 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS39 Myonkammern Impuls-Auflösung Kombination mit Inner Tracker wesentlich!

40 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS40 Myonkammern pp  Z   zur Kalibration! Auflösung wenige GeV. Z: Nur µ-KammernZ: µ-Kammern+Tracker Z’: 150 GeVZ’: 300 GeV

41 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS41 Myonkammern Effizienz der Driftkammern und des Triggers Wichtig: Wieviele Myonen erwische ich mit dem Trigger? Wieviele Myonen kann ich in den Kammern identifizieren? Wert, bei dem ca. 85% Effizienz erreicht ist.

42 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS42 Myonkammern Raten Fast unmöglich <10 GeV zu trigger! Aber unter 20 GeV fast nur “minimum bias”-Ereignisse. Erst dann Myonen aus -- W-Zerfall -- Drell-Yan-Prozessen (qq  W/Z  µµ) -- Z-Zerfall -- top-Zerfall -- etc.

43 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS43 3. Trigger

44 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS44 Trigger = Zentrale Instanz des Experiments, die online über Selektion oder Verwerfung jedes einzelnen Events entscheidet. Realisierung entweder durch schnelle Elektronik oder durch Software-Algo- rithmen. Hauptproblem: Wie kriege ich schnell genug genügend Informationen zusammen, um auf konsistenter Grundlage entscheiden zu können?

45 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS45 Wirkungsquerschnitte … warum eigentlich ein Trigger?

46 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS46 PHYSICS AT THE LHC Comparison of SM and ‘new physics’ processes Small cross- sections for ‘new physics’ processes Understanding of SM processes important Backgrounds for ‘discovery physics’: Wbb, ttbb, W/Z pairs… Calibration, energy scale: Z  e + e -,  +  -, J/   e + e -,  +  -, W  jj… At high luminosity ~23 events overlaid … for cm -2 s -1 usually only one event … and small branching ratios (e.g. H   ). SM processes dominate. Necessity of efficient trigger!

47 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS47 PHYSICS AT THE LHC Importance of high p T signatures Muons just as illustration - same is true for electrons, photons, jets. Interesting (non-minimum-bias) physics sets in only at relatively high p T. New particles are expected to be heavy (Higgs, sparticles all above 100 GeV)  decay products will have relatively high transverse momentum.

48 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS48 ATLAS TRIGGER MENU COVERAGE Inclusive and di-lepton B physics H   SUSY, leptoquarks Resonances, compositeness Gauge boson pair production for study of anomalous couplings and behaviour of production at high energies single and pair top production direct Higgs production with H  ZZ*/WW*; associated SM Higgs production with WH, ZH, ttH MSSM Higgs decays Production of new gauge bosons with decays to leptons. SUSY and leptoquark searches specialised, more exclusive menus 2EM15I at L1, 2  20i at L2. Also MSSM. High p T jets with/without E Tmiss. High p T jets. Triggering mostly with inclusive / di-leptons.

49 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS49 THE ATLAS EXPERIMENT - Length ~40 m - Diameter ~25 m - Weight ~7000 t channels (event ~2MB) - ‘Inner (tracking) Detector’ - calorimeters (energies) - muon detectors - Barrel: solenoid around ID and toroid fields in muon system - Endcaps: toroid fields

50 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS50 THE ‘INNER DETECTOR’ Pixel Detector: - 3 barrel layers - 24 end-discs channels -  R  =12  m,  z,R =~70  m - |  | <2.5 Silicon Tracker: - 4 barrel layers, |  | < end-discs, 1.4 <  < Area 60 m channels -  R  =16  m,  z,R =580  m Transition Radiation Tracker channels -  =170  m per straw - |  | <2.5

51 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS51 THE CALORIMETERS Hadronic Tile: scintillating tiles PMTs - Granularity  : <1.0, ( ) - L=11.4 m, R out =4.2 m Hadronic LAr Endcaps: - steel absorbers channels / EM LAr Accordeon: - lead absorbers channels  : <2.5, <3.2 Forward LAr: rods of 1mm - cell size 2-5cm 2 (4 rods) -  : <3.1, < copper, 2 tungsten LAr Pre-Sampler Against effects of energy losses in front of calorimeters

52 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS52 THE MUON SYSTEM Monitored Drift Tubes - 3 cylinders at R=7, 7.5, 10m - 3 layers at z=7, 10, 14 m tubes, cm -  space =80  m,  t =300ps (24-bit FADCs) Cathode Strip Chambers wires - only for |  |>2 in first layer -  space =60  m,  t =7ns Thin Gap Chambers channels - ~MWPCs Resistive Plate Chambers channels -  space =1cm - trigger signals in 1ns

53 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS53 THE ATLAS TRIGGER: OVERVIEW Multi-layer structure for rate reduction: 1 GHz  100 Hz. } EF - Full event - Best calibration - Offline algorithms - Latency ~seconds } L1 - Hardware-based (FPGAs and ASICs) - Coarse granularity from calo/muon - 2  s latency (pipelines) } L2 - ‘Regions-of-Interest’ - ‘Fast rejection’ - Spec. algorithms - Latency ~10ms

54 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS54 THE LEVEL1-TRIGGER Selection based on high-p T objects from calo and muon. Multiplicities Regions- of- Interest Event decision for L1 Interface to front-end Muon candidates above p T thresholds Interface to higher trigger levels/DAQ: objects with p T, ,  Candidates for electrons/photons, taus/hadrons,jets above p T thres- holds. Energy sums above thresholds

55 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS55 THE CALORIMETER TRIGGER II Example: The  /hadron trigger Example: The jet/energy trigger 2·2 jet EM+HA cluster (RoI) in 2·2 or 3·3 or 4·4 region (gives E T ). 8 (4) (forward) jet E T thresholds. Total/missing E T from jets (sum of 0.2·0.2 jet elements to  ·  =0.4·0.2, conversion to E x,E y, then summation). Maximum of EM+HA E T in 2·2 ‘RoI’, isolation criteria (alternative core definitions?). Multiplicities for 8(8) e/  (  / hadron) E T thresholds. Builds candidate objects (RoIs): electrons/photons, taus/hadrons, jets. Ideas about core definitions, isolation criteria not really finalised.

56 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS56 THE MUON TRIGGER ‘Roads’ can be defined for 6 different p T thresholds (for which multiplicity counts are delivered to the CTP).  BCID =1.5 ns. Trigger chambers: 3 RPC stations for |  |< TGC stations for 1.05<|  |< ,  layers per station (TGC 2/3) p T information from hit coincidences in successive detector layers. Procedure: Put predefined ‘roads’ through all stations (width in  ~ p T ). If hit coincidences in 2(3) stations  muon candidate for p T thres- hold corresponding to ‘road’. ATLAS quadrant in rz view trigger chambers precision chambers

57 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS57 THE CENTRAL TRIGGER PROCESSOR existing prototype 1 9U VME module final design ~7 different modules Combines calorimeter and muon information to L1 decision. Lookup tables: ‘conditions’ Programmable devices: ‘items’ Dead time etc. Combination of ‘items’ One big FPGA Interfaces to detectors,LHC Input bits: multiplicities To Level2 Number of items?

58 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS58 L1 SIMULATION: OVERVIEW Most developments originally for stand-alone applications.  Generation of MonteCarlo events for analysis purposes  Rate/efficiency estimates  Inputs for HLT tests  Tests of L1 trigger hardware (~done for some compo- nents; just starting ‘slices’, configuration problem!)

59 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS59 THE L1 DECISION Derived in the ‘Central Trigger Processor’ (CTP). Multiplicities of objects above p T thresholds ‘Conditions’: multiplicity requirements ‘Items’: logical combinations of ‘conditions’ L1 result as ‘OR’ of all ‘items’ Inputs to HLT: L1 result and objects with p T, , . CTP calorimeter, muon

60 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS60 L1 CONFIGURATION Based on XML: Calo and muon need to know which multiplicity is to be delivered on which physical line. Simple definition of logical structures (better HTML). Simple ‘parsing’ into instances of C++ classes. Structure of L1 decision configures CTP. Prevent from configuring logical structure that exceeds CTP’s abilities (number of inputs etc.). Definition of objects to be triggered: Trigger Menu Def. of objects for which calo and muon deliver multi- plicity counts: thresholds Description of hardware

61 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS61 THE HIGH-LEVEL TRIGGER (HLT) Good example for solid software process.

62 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS62 HLT: DESIGN OVERVIEW EventFilter (EF) Classification Selection ~10 2 Hz Hardware Implementation LEVEL 2 (LVL2) ~1 kHz Level1 (L1) ~10 2 kHz Read-Out Subsystem Modules High-Level Trigger: Design HIGH-LEVEL TRIGGER (HLT) Offline Simplified subsystem view Event- Filter

63 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS63 HLT: SELECTION SOFTWARE EventFilter Level2 PESA Core Software PESA Algorithms Offline Architecture & Core Software Offline Reconstruction Running in Level2 Processing Units (L2PU)+EF. Set-up by HLT configuration

64 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS64 HLT: SELECTION PRINCIPLES ‘Regions-of- Interest’ (RoI) Step-wise process and ‘Fast rejection’ Flexible L2/ EF boundary Use of offline reconstruction algorithms PESA = ‘Physics- and Event Selection Architecture’ ¶ Selection/Rejection starts with localized L1 objects (‘Regions-of-Interest’)  limited data amount. ¶ Then step-wise more and more correlated data from muon/calo and other detectors (e.g. cluster shapes, tracks for e/  separation). ¶ After every step: Check whether selection criteria still fulfilled  optimal use of HLT processors. ¶ flexible distribution of load and use of resources. ¶ Use of common software architecture + algorithms  understanding of trigger rates/efficiencies. ¶ Use of common ‘event data model’ (should be trivial ;-) ).

65 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS65 HLT DECISION (LEVEL2 AND EF) Overview of step-wise procedure with ‘dummy’ example Z  e + e - After every step: test + possibly rejection. ‘Physics Signature’: Z  e + e - with p T >30 GeV ‘Intermediate Signature’ L1 result: 2 EM clusters with p T >20 GeV ‘Intermediate Signature’ decision partalgorithmic part

66 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS66 LEVEL1 SELECTION: PLANNING Selection2·10 33 cm -2 s cm -2 s -1 MU6(20?) (20)23 (3?)4.0 2MU6--- (1?)1.0 EM25i (30) EM15i (20)25.0 J200 (290)0.2 3J90 (130)0.2 4J65 (90)0.2 J60+xE60 (100) TAU25+xE MU10+EM15i others5.0 total~ 44 (25?)~ 40 Rates in kHz; thresholds define 95% efficiencies. No safety factors included (LO MonteCarlos etc.). Muon triggers contribute to (di)lepton signatures. Electron/photon triggers strong; large backgrounds. Low rate for jet triggers; difficult to control backgrounds New studies assume much reduced  rate (~kHz).

67 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS67 Literatur … und weiterführende Informationen  K. Kleinknecht, Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner.  W.H. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer  CMS und ATLAS: Technical Design Reports atlas.web.cern.ch/Atlas/Internal/Welcome.html cmsdoc.cern.ch/cms.html

68 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS68 THE CALORIMETER TRIGGER I Complex system with many modules to be developed. digitisation, presumming to jet elements with granularity analog sums of EM/HA cells  7200 trigger towers (granularity ) cluster processor: Find e/  and  /hadron candidates in 6400 trigger towers (|  |<2.5) jet/energy processor: - Find jet candidates in 3032 jet elements for |  |<3.2 - Build total E T sum up to |  |<4.9.

69 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS69 THE MUON-TO-CTP INTERFACE 208 RPC/TGC sectors deliver 1-2 RoIs  combined by 16 MIOCTs. MIBAK backplane builds RoI multiplicities for 6 p T thresholds.

70 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS70 L1 CONFIGURATION Implementation in C++ classes Logical tree structure of XML tags Definitions of trigger menu “Parsing”

71 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS71 PROBLEM: HARDWARE CONFIGURATION Idea: Run simulation against L1 hardware  Tests of hardware and software systems.  Needs common input data.  Needs unified configuration for simulation software and hardware. Status  First lookup table files successfully loaded.  First (simple) VHDL code written. Translating and loading dangerous (damaging FPGA).  Have to generate  lookup table files  VHDL code for FPGAs.  Have to be generated ‘on the fly’, from running configuration code. Problem TBV[0] = MIO[0] & MIO[1] & !MIO[2] & maskff[0] & !LOCADT[0] & !GLOBDT1[0] & !GLOBDT2[0] & !VETO

72 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS72 TRÍGGER STUDIES Mostly done using full GEANT simulation of ATLAS detector and of trigger logic. Usually not full events used, but only parts (QCD jets, H   processes etc.) Full dijet event ~1000s. For jets and E Tmiss studies only with fast parametrised simulation. Fast L1 trigger simulation for some purposes (large samples etc.). Most studies have large uncertainties: LO MCs, computing time per event, costs, classification. Should be reduced with new L1 simulation + HLT software for HLT technical design report (5/2003). Only rigidly done for L1+L2. EF should be ~100% efficient. Most studies from 1998 Trigger Performance Status Report.

73 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS73 HLT SELECTION: PLANNING Selection2·10 33 cm -2 s cm -2 s -1 Rates (Hz, low lumi) Electrone25i, 2e15ie30i, 2e20i~40 Photon  60i, 2  20i ~40 Muon  20, 2  10 ~40 Jetsj400, 3j165, 4j110j590, 3j260, 4j150~25 jet+E tmiss j70+xE70j100+xE100~20 tau+E tmiss  35+xE45  60+xE60 ~5 B physics 2  6 with m B /m J/  2  6 with m B ~20 Total~200 Optimization of efficiency/rejection and CPU load / data volume. Rate·Event size (1.6MB)  needed band widths / storage volume Rate·CPU time  number of processors (500?)

74 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS74 threshold ~30 GeV Inclusive e/  trigger rate for high lumi with/without isolation. L1 e/  TRIGGER Selection Threshold [E T in GeV] Rate [kHz]  1 e/  17 / 2611 / 21.5  2 e/  12 / / 5.2 Total rate13 / 27 threshold ~20 GeV e/  pair trigger rate for high lumi with /without isolation. EM isolation for e/jets Tolerable rate dictates E T thresholds. Isolation criteria vital for rate control.

75 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS75 L1  /hadron TRIGGER 25 GeV threshold, but no single tau / hadron trigger planned for (hadr. decays  HA calibration?). SelectionEM IsolationRate 20 GeV7 GeV16 kHz 40 GeV10 GeV2.1 kHz 25 GeV+E Tmiss 1-2 kHz L1 tau/hadron efficiency as function of tau p T. Problems: - Core definition (21,22,22+44 etc.) - isolation threshold definition. For Z  , W   with additional lepton or E Tmiss.

76 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS76 L1 JET TRIGGER:  1,3,4 JETS Efficiency to flag a jet RoI at high lumi. How low can you go? TypeLow lumiHigh lumi 1 jet E T >180Ge V E T >290Ge V 3 jets E T >75GeV E T >130Ge V 4 jets E T >55GeVE T >90GeV Rate assigment defines thresholds and jet windows. Performance depends on - window for E T determination, - jet element thresholds, - declustering procedure. N jet =1 N jet =4 180 GeV 55 GeV Jet trigger rates (low lumi), assign 200Hz for 1,3,4 jet processes

77 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS77 L1 MUON TRIGGER PERFORMANCE TGC efficiency for different thresholds  sharp rise, good . TypeBarrelEndcapAllNon-pp 6 GeV > GeV >0.026 Mainly want to trigger W/Z  . Semilept.b,c   is background (L2). Fake rates from background particles about 10Hz/cm 2 ? New muon studies assume less rate. Muon trigger rates overview [kHz]

78 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS78 HLT: CALORIMETER TRIGGERS Second sampling ( ): 24X 0 Back sampling ( ): 2-12X 0 Main backgrounds in L1 sample:  0   and narrow hadronic jets. Algorithms mainly based on E T, hadronic leakage, lateral shower shape and sub-structures in cluster (use of track veto possible). Variables: - EM-E T in 37 cells E=w gl (w ps *E ps +E 1 +E 2 +E 3 ) - HA-E T - lateral shape in 2. sampling: R = E 3*7 / E 7*7 >0.9 for e - lateral shape in 1. Sampling for narrow hadr. showers or jets with small E had - Cuts tuned for  >0.95 with large jet rejections First sampling with finer cell granularity for  0 rejection ( ): 6X 0

79 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS79 HLT  TRIGGER:  40(60)i, 2  20i 2 peaks from  0   / narrow hadronic shower from jet BG (first sampling) 1 peak from real  Validation of L1 E T, ,  information (granularity, calibration)  sharper cuts on E T + cluster shape analysis. Efficiency for 20 GeV photons at high lumi. Single photon efficiency > 90% (diphoton triggers >80%; f(E T )). 100 (600) Hz on L2 for  triggers. Jet rejection of ~3000.

80 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS80 HLT ELECTRON: e25(30)i, 2e15(20)i Similar to photons, but looser cuts. Track search in inner detector (reject neutrals, cuts on p T, shower shapes etc.). L2 e/  trigger efficiency for 30 GeV electrons, (high lumi). Electron triggers: rate of 100 (600) Hz after L2 selection. Service crack between barrel and endcap Efficiency after L1+L2 for single 30GeV electrons at high lumi. Crack between barrel halves

81 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS81 HLT JET TRIGGER: 1,3,4 JETS L2 jet efficiency for 50,100,150 GeV as function of threshold (cone, threshold from trigger jet). L2/L1 reduction for low lumi at 90(95)% L2(L1) 1-jet efficiency (2 at 80 GeV). Hard to suppress BG without inv. Mass cuts. Sum cells to ; run jet algo on window around RoI. TypeL1 [kHz]L2 [kHz] J J J Rates for  =95(90)% L1(L2). Algorithms? Cell noise cut? Threshold definition? Window size? L1 TT cut 1 GeV

82 Vorlesung 4 CMS II WS 2004/05Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS82 Get p T (MDTs), extrapolate track Reduce L1 rate by ~100 (harder cuts or more subdetectors) Reduce BG from b-decays by factor 10 with high W/Z-  95%. HLT MUON TRIGGER:  20, 2  10 L2 trigger algorithm efficiency in barrel for two thresholds. Efficiency >95% with r.m.s momentum resolution of 1-2 GeV (7% for 6 GeV)). --- W,Z signal b,c BG Also E T criteria in calo cones 200(300) Hz L2 trigger rate for  signatures (without B triggers with exclusive requirements on masses). Calo discriminates W/Z vs. b,c.


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