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20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN) Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment Seminar über neue Arbeiten am Atominstitut.

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1 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN) Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment Seminar über neue Arbeiten am Atominstitut

2 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 2Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Inhalt Brennende Fragen der Teilchenphysik Das CMS-Experiment Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter Globaler Trigger Online Software für den Globalen Trigger Zusammenfassung

3 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 3Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Fragen der Teilchenphysik Wo ist das Higgs-Boson? –das letzte unbeobachtete Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik –Vermittler der Masse –Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung 2µ 2e Quelle: SM-Higgs Produktions-Kanäle: Quelle: Simulierter Higgs-Zerfall im CMS-Detektor:

4 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 4Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Fragen der Teilchenphysik Gibt es Supersymmetrie? –mögliche Erklärung des Hierarchie-Problems: Higgs-Skala (10 2 GeV) << Planck-Skala (10 19 GeV) warum? Quelle:

5 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 5Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Fragen der Teilchenphysik Krumme Extra-Dimensionen? –mögliche alternative Lösung des Hierarchieproblems Gravitation eig. stark (Planck-Masse eig. klein), aber –Fluss verschwindet in kleinen Extra-Dimensionen –Gravitation bei alltäglichen Distanzen effektiv schwach erklärt Fine-Tuning Quelle:

6 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 6Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Fragen der Teilchenphysik Verdampfende Mini Black Holes? –im Rahmen von Extra Dimensions: Temperatur… aus Energieverteilung der bei Verdampfung emittierten Teilchen als Funktion der Masse… aus gesamter im Detektor deponierter Energie –abhängig von Anzahl der Extra- Dimensionen Erd-verschlingende schw. Löcher Quelle: ATLAS-Simulation

7 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 7Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Fragen der Teilchenphysik Woraus besteht Dunkle Materie? –Häufigkeit im Universum (22%) korreliert mit elektroschwacher Skala LHC-Energie –Wechselwirkungen im CMS- Detektor? –Kandidaten: SUSY: LSP, stabil via R-Parität Extra Dimensions: LKP, stabil via KK-Parität Siehe auch: Quelle:

8 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 8Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Fragen der Teilchenphysik Technicolor etc. ? –elektroschwache Symmetriebrechung durch zusätzliche QCD- artige (asymptotisch freie) Wechselwirkungen –kein Higgs kein Fine-Tuning, kein Hierarchieproblem Erhellung der Dunklen Energie? –WMAP: Universum ist flach –aber baryonische+dunkle Materie nur 26% der erforderlichen "kritischen Dichte" 74% "dunkle" Massenenergie kosmologische Konstante? neues Feld (Quintessenz)? oder Abänderung der Allg. Relativitätsth.?

9 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 9Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Fragen der Teilchenphysik Mehr als drei Fermion-Generationen? –neue Quarks/Leptonen? Preonen? –Substruktur von Quarks/Leptonen? Langlebige, schwach wechselwirkende neutrale Teilchen? –mysteriös fehlende Energie im Detektor… Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? –Baryonenzahl-Verletzung

10 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 10Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 CMS am Large Hadron Collider (p-p) Französische Alpen Genfer See LHC U = 26,7 km T orbit = 89 µs T collision = 25 ns Zwei Protonenbündel zu je 100 Mrd. Protonen 40 MHz. Im Schnitt 18 inelastische Wechselwirkungen (bei L = cm -2 s -1 ).

11 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 11Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Quelle:

12 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 12Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Compact Muon Solenoid (CMS) L x D = 21 m x 15 m B = 4 T (axial) Tracker (Silizium): Spuren und Impulse geladener Teilchen ECAL (Blei-Wolframat): Energie und Ort von e +, e -, γ HCAL (Messing etc., Szintillatoren): Energie, Ort von Hadronen Myonsysteme (DT, CSC, RPC): Präzisionsvermessung von Myonen DT, CSC: Ort, Impuls RPC: Zeit ( Triggern) supraleitende Spule:

13 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 13Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Compact Muon Solenoid Quelle:

14 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 14Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter 1.Kollision (p-p) 2.Inel. Ereignis 3.Sekundärereignis pp H γ γ 4. Photonen durchqueren CMS 5. Analoges Signal in sensitiven Subdetektoren (Tracker, ECAL) 6. Digitalisierung & Speicherung in Ring-Buffer (max 3,2 µs = 128 Strahlkreuzungen) 7. Subdetektoren erzeugen primitive Trigger-Objekte: Ort, Energie, Impuls – grob 8. Level-1 Trigger-Hardware berechnet Trigger-Objekte: Myonen Transversal-Energie- Summen Photonen/Elektronen Jets LHC CMS-DetektorCMS-Level-1-Trigger Signatur gefunden? 10. Global Trigger schickt Level-1 Accept 9. Globaler Trigger sucht nach >100 definierten Physiksignaturen (z.B. 2 Photonen über vorgegebener Schwellenergie). Globaler Trigger 11. Datenakquisition empfängt Ereignis-Daten von Detektor und Trigger L1A Event- Daten max. 3.2 µs DAQ High Level Trigger 12. High Level Trigger: Computer-Farm untersucht Daten genauer, filtert Interessanteste heraus. (Berechnung basiert auf kompletten Event-Daten.) GRID

15 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 15Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter Stufe:Level-1 TriggerHigh Level Trigger Technologie:Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) Computer-Farm Input-Frequenz:40 MHz (40 Millionen Kollisionen pro Sekunde) Output-Frequenz des Level-1 Triggers Output-Frequenz:100 kHz (DAQ-Limit) max. 100 Hz (Speicher-/Transfer- Limit) Input-Daten pro Ereignis: grobe Triggerdaten von Detektor-Front-End komplettes "Event", alle CMS-Detektordaten (~1MB) Max. Daten-Strom:100 GB/s3·10 6 GB/a Verarbeitungszeit pro Ereignis: max 3.2 µs (aber fix) (Silizium-Tracker-Limit) max. 40 ms CMS hat zwei Filter-Stufen

16 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 16Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter global: –die vier besten Myonen regional: –Spuren vom DT/CSC Track Finder –Spuren vom RPC Pattern Trigger lokal: –Spursegmente von DT/CSC –RPC Hits L = cm -2 s -1 Myonen-Trigger: global: –die vier besten Objekte von jeder Art regional: –Elektronen/ Photonen –Transversalenergie -Summen –minimal- ionisierendes Teilchen? –isoliertes Teilchen? lokal: –Transversalenergie -Summen von HCAL/ECAL Trigger Towers Kalorimeter-Trigger: Level-1-Trigger Hardware HEPHY

17 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 17Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Der Globale Trigger Hauptfunktionen (bei jeder Kollision, 40 MHz): –Empfang und Synchronisation von Trigger-Objekten –Berechnung von >100 Trigger-Algorithmen (and-or-not) basierend auf: Transversal-Energie, Transversal-Impuls, Quality, Ort ( η, φ), Topologie (Δη, Δφ). Bis zu vier Teilchen/Objekte verknüpfbar. –Finales ODER, Ausendung der Trigger-Entscheidung (Level-1 Accept)

18 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 18Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober a. Empfang von technischen Trigger- Signalen (Beam-Trigger etc.). Synchronisation. Der Globale Trigger 1c. Empfang von Myonen. Synchronisation. 1b. Empfang von Kalorimeter-Objekten und anderen Signalen. Synchronisation. GMT 2. Berechung von bis zu 128 Trigger- Algorithmen 3. Logisches ODER aller positiven Algorithmen und technischer Trigger-Signale 4. Überprüft Detektorstatus, falls alle Systeme bereit: Aussendung Level-1-Accept. Sendet ausserdem schnelle Synchronisationssignale etc. 5. Nach Level-1 Accept: Daten zur Datenakquisition. Enthält auch Entscheidungswort! (= Seed für HLT) 0. LHC-Clock- Input. Verteilung. Trigger Control System FDL GTL GTFE PSBs (hinter GMT) TIM PSBs

19 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 19Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Der Globale Trigger FDL-Zähler: –Ratenzähler für runterskalierte Algorithmen –Ratenzähler für runterskalierte technische Trigger TCS-Zähler: –eigehende und unterdrückte L1A- Kandidaten –Physik-Trigger –Kalibrationstrigger –Random-Trigger –diverse Totzeit-Zähler CMS regional trigger GCT GMT 40 MHz Pipeline-Logik calo & muon objects GTL 1. Logic OR 2. Prescale 3. Rate Counters 128 algos technical trigger objects (BPTX, BSC etc) 64 tech Global Trigger FDL physics calib random rand-gencalib-gen TCS L1A candidate L1A to detector backpressure trigger rules... TCS deadtime counters Level-1

20 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 20Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Online-Software für den Globalen Trigger Integration mit der Experiment-Steuerung im Rahmen des TriggerSupervisor-Frameworks Zyklus der CMS-Datennahme Monitoring Online-Hardware-Monitoring für Schichtbetrieb Triggerraten, Totzeiten… Detektorstatus Schnittstellen zu Abnehmer-Systemen Konfiguration der Hardware / Datenbank Konfigurationseditor Datenbank für Trigger-Setup Konfigurationsprozess Übersetzung Hardware-Setup Emulator-Setup Usability Benutzerfreundliche Web-Applikationen für Experten und für Physiker im Schichtdienst Stabilität

21 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 21Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Integration mit Experiment-Steuerung CMS Run Control Regional Calorimeter Trigger Global Calorimeter Trigger Resistive Plate Chamber Trigger Drift Tube Track Finder Cathode Strip Chamber Track Finder Tracker, HCAL, ECAL, DT, RPC, CSC... Global Muon Trigger Clock & Signal Distribution (TTC) Global Trigger Detector Applications Central Trigger Cell L1 Trigger Function Manager Level 1 Trigger Applications DAQ, DQM, HLT… Data Acquisition, Filtering, Monitoring Applications GT/GMT VME crate et al. in unterirdischer Service Kaverne (schräg überhalb Detektor) Detector Trigger Hardware PCI link (CAEN VME)

22 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 22Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Globar Trigger – Zyklus der Datennahme configure 1.GT: hardware setup 2.GT: periodic orbit signal (BC0) to CMS systems enable 1.GT: start signal to CMS systems 2.GT: trigger sources ON (physics, random, calibration) stop 1.GT: trigger sources OFF 2.GT: stop signal to CMS systems cold-reset (halted-halted) –reload firmware into chips from PROMs (necessary when LHC clock changes) repartition (configured- configured) –define which detector partitions (there are 32) should be serviced by the Trigger Control system change prescaling (enabled-enabled) –to compensate for decreasing luminosity configured enabled halted suspended configure enable suspend stop stop' enable' cold-reset repartition change prescaling Detektor kann in 8 Teilgruppen aufgeteilt werden, jede kann unabhängig gesteuert werden. x 8

23 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 23Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Globaler Trigger – Online-Software-Architektur Trigger Supervisor Framework commands, operations, control panels database access, cell communication XDAQ Framework lightweight C++ web applications generic access to hardware and database inter-application network messaging GT Libraries access to GT module functions Scientific Linux CERN operating system used by CMS GT/GMT Test Cell Trigger Menu Cell GT Cell GT/GMT Test Applications CMS Private Computer Network CMS Database GMT Cell

24 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 24Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Konfiguration des Globalen Triggers Menü der Algorithmen für den Physik-Trigger: –Datenbank enthält Struktur für alle Parameter –Firmware kann daraus generiert werden. –Änderung von Thresholds etc. per Software Synchronisations-Parameter –Ausrichtung empfangener Triggerdaten vor Berechung der Algorithmen –richtiges Timing für Trigger –richtiges Timing für Readout Parameter für Testfunktionen etc.

25 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 25Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Datenbank-Abbildung der Physik-Algorithmen

26 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 26Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Hardware/Datenbank-Konfigurations-Editor z.B. Änderung der Input-Synchronisations- Einstellungen für technische Trigger-Signale

27 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 27Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Dynamisches "Prescaling" Individuelle Ratenreduktion für Algorithmen und Technische Trigger –jeder N(i)-te Trigger-Kandidat wird akzeptiert (d.h. an das Finale ODER übergeben) –N(i) = Prescale-Faktor für Algorithmus i –Prescaling speziell wichtig für häufig vorkommende Trigger (z.B. MinimumBias) Auch High Level Trigger wendet Prescaling für "HLT-Pfade" an. Einstellen der Raten individuell für jeden Trigger/Pfad Erlaubt Physik-Prioritäten festzulegen Änderungen zwischen Level-1 (GT) und High Level Trigger (HLT) laufen synchronisiert ab. Während der Datennahme sinkt Luminosität und damit die Triggerrate –Raten sollen aber (im großen und ganzen) konstant bleiben für größtmöglichen Informationsgewinn aus LHC Stufenweise Verringerung von N(i) während der Datennahme (dyn. Prescaling)

28 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 28Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Editor für Prescale-Faktoren vordefinierte Prescale-Faktoren für unterschiedliche Luminositätswerte

29 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 29Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Z.B. Konfigurations-GUI (Algorithmen etc.) z.B. An-/Ausschalten von Algorithmen für den Trigger z.B. Einstellung neuer (vordefinierter) Prescaling-Werte während der Datennahme

30 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 30Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Z.B. Status-Monitoring des Detektors Warten auf Detector-READY… Run noch nicht gestartet (GT output = "idle")…

31 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 31Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Z.B. Triggerraten-/Totzeit-Monitoring Monitoring von Triggerraten und Totzeiten gibt Aufschluss über defekte Detektorkomponenten temporäre Entfernung aus Datennahme ORACLE Datenbank CMS Monitoring Infrastruktur

32 Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS 32Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010 Zusammenfassung Der Globale Trigger bei CMS filtert Physik-Signaturen aus jeder Protonenbündel-Kollision und triggert auf Ereignisse die relevant erscheinen im Hinblick auf neue Physik. Hardware, Firmware und Software wurde von HEPHY gebaut bzw. entwickelt. Das System wurde vor Inbetriebnahme des LHC lange Zeit in "Global Runs" (CMS in Betrieb mit kosmischen Myonen) getestet und weiterentwickelt. Stabiles Running seit dem Startup des LHC. Ein umfassendes Software-System zur Steuerung und Überwachung der Hardware des Globalen Triggers und zur Interaktion mit Konfigurations- & Monitoring-Datenbank wurde entwickelt und wird für Datennahme eingesetzt.


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