Habilitationskolloquium Technische Universität Wien 4. März 2002 Claudia-Elisabeth Wulz Der Trigger - Tor zur Physik

Beschleunigerkomplex des CERN LHC/LEP SPS CMS ATLAS

Der LHC-Beschleuniger Proton- Proton Umfang: 27 km Teilchenpakete: Protonen / Paket: Strahlenergie: 2 x 7 TeV Luminosität: cm -2 s -1 Strahlkreuzungsintervall: 25 ns Kollisionsrate: 10 7 … 10 9 Hz Flußdichte der Dipolmagneten: 8.4 T Anzahl der Dipolmagneten: ca Schwerionen (Pb-Pb, S-S, etc.) Strahlenergie: bis zu 5.5 TeV/Nukleonenpaar Luminosität: cm -2 s -1 für Blei cm -2 s -1 für Sauerstoff Strahlkreuzungsintervall: 125 ns

Zielsetzungen der LHC-Experimente Standardmodell-Physik QCD, elektroschwache Theorie (Higgs, W, Z, Top, Jets, …)Supersymmetrie SUSY-Higgsbosonen, andere supersymmetrische Teilchen,... Andere Erweiterungen des Standardmodells Compositeness, Technicolor, Leptoquarks, neue schwere Vektorbosonen,...B-Physik CP-Verletzung, B 0 -B 0 Oszillationen, seltene B-Zerfälle,...Schwerionenphysik Quark-Gluon-Plasma Physik bei kleinen Winkeln total, elastische Streuung, Diffraktion Neue Phänomene

Wirkungsquerschnitte und Raten Wirkungsquerschnitte für verschiedene Prozesse variieren über viele Größenordnungen inelastisch: 10 9 Hz W : 100 Hz tt: 10 Hz Higgs (100 GeV): 0,1 Hz Higgs (600 GeV): 0,01 Hz Erforderliche Selektivität 1 : Trigger -

Art des Ereignisses Eigenschaften der gemessenen Triggerobjekte Wahl der Triggerbedingungen Ereignis angenommen? T( ) JA NEIN hängt ab von Triggerobjekte Triggerobjekte (Kandidaten):e/,, Hadronjets, -Jets, fehlende Energie, Gesamtenergie Triggerbedingungen: Triggerbedingungen: gemäß physikalischen und technischen Prioritäten sukzessive Stufen

CMS-Detektor (Compact Muon Solenoid)

Triggerstufen in CMS Level-1 Trigger Makrogranulare Information aus Kalorimetern und Müonsystem (e,, Jets, E T missing ) Schwellwert- und Topologiebedingungen möglich Entscheidungszeit: 3,2 s Eingangsrate: 40 MHz Ausgangsrate: bis zu 100 kHz Speziell entwickelte Elektronik High Level Trigger (mehrere Stufen) Genauere Informationen aus Kalorimetern, Müonsystem und Tracker Schwellwert-, Topologie-, Massenbedingungen u.a. sowie Vergleiche mit anderen Detektoren möglich Entscheidungszeit: zwischen 10 ms und 1 s Eingangsrate: bis zu 100 kHz Ausgangsrate (Datenakquisition): ca. 100 Hz Industrielle Prozessoren und Switching-Netzwerk

Konventionelles 3-Stufenkonzept Investition in spezialisierte Prozessoren, Steuerung

CMS-2-Stufenkonzept Investition in Bandbreite und kommerzielle Komponenten Vorteile: weniger Komponenten, skalierbar

Evolution der Trigger-Anforderungen ATLAS/CMS: ziemlich hohe Raten und große Ereignisse Wechselwirkungsraten: ~ Faktor 1000 größer als bei LEP, ~ Faktor 10 größer als bei Tevatron

Level-1 Trigger Nur Kalorimeter und Müonsystem beteiligt Grund: keine komplexe Mustererkennung wie im Tracker nötig (ca Spuren bei Luminosität von cm -2 s -1 ), geringere Datenmenge Trigger beruht auf: Clustersuche in den Kalorimetern Spurensuche im Müonsystem

Architektur des Level-1 Triggers

Strategie des Level-1 Triggers Lokal Messung von Energien in einzelnen Kalorimeterzellen bzw. Gruppen Bestimmung von Spurpunkten- bzw. Spursegmenten in MüondetektorenRegional Identifikation der Teilchensignatur Messung von p T /E T (e/,, Jets, -Jets) Bestimmung der Ortskoordinaten (, ) und QualitätGlobal Sortierung der Kandidaten nach p T /E T, Qualität und Beibehaltung der besten 4 jedes Typs zuammen mit Orts- und Qualitätsinformation Bestimmung von E T, E T missing, Jetmultiplizitäten für 8 Schwellwerte Algorithmenlogik Schwellwerte (p T /E T, N Jets ) geometrische Korrelationen - z.B. Back-to-back Ereignisse, Forward Tag Jets - Detailliertere topologische Bedingungen optionell - Ortsinformation für HLT - Diagnostik Kalorimeter-trigger Jet e/ e/

Der lokale Müontrigger Kathodenstreifen- kammern Driftröhren- kammern 6 getroffene Streifen bilden Spursegment Vektor aus 4 getroffenen Zellen Korrelator kombiniert Vektoren zu Spursegment Komparatoren ermöglichen Auflösung von 1/2 Streifenbreite Ebene Station Driftröhrenkammern und Kathodenstreifenkammern dienen zur Präzisionsmessung und zum Triggern. Resistive Plate Chambers (RPCs) sind spezielle Triggerkammern.

Der regionale Müontrigger Trigger beruht auf Suche nach Spuren, die zum Vertex zeigen, und Korrelation von mehreren Detektorebenen Spuren mit kleinem p T zeigen nicht zum Vertex (Vielfachstreuung, zum Vertex (Vielfachstreuung, Ablenkung im Magnetfeld) Ablenkung im Magnetfeld) Spuren aus Zerfällen und Spuren aus Zerfällen und Punchthrough zeigen meist Punchthrough zeigen meist auch nicht zum Vertex auch nicht zum Vertex Punchthrough / Sailthrough-Teilchen Punchthrough / Sailthrough-Teilchen durchqueren selten mehrere durchqueren selten mehrere Detektorebenen Detektorebenen RPC-Trigger Driftröhren-Trigger (CSC-Trigger analog)

Der globale Müontrigger Gesamteffizienz 96.9% DR/CSC/RPC: kombiniert im globalen Müontrigger Optimierter Algorithmus in Hinblick auf Effizienz Raten Unterdrückung von falschen Doppelspuren -> Benützung von Geometrie + Qualität

Der globale Trigger Physikalische Anforderungen Physikalische Anforderungen Treffen der Triggerentscheidung aufgrund von ähnlichen Kriterien wie in der Datenanalyse: Logische Verknüpfungen der vom globalen Kalorimetertrigger und vom globalen Müontrigger gesendeten Triggerobjekte Besten 4 isolierten Elektronen/PhotonenE T,, Besten 4 nichtisolierten Elektronen/Photonen E T,, Besten 4 Jets im ZentralbereichE T,, Besten 4 Jets im VorwärtsbereichE T,, Besten 4 -JetsE T,, Gesamtes E T E T Fehlendes E T E T missing, (E T missing ) 6 Jetmultiplizitäten (Zentralbereich) 2 Jetmultiplizitäten (Vorwärtsbereich) Besten 4 Müonenp T, Ladung,,, Qualität, MIP, Isolation Schwellwerte (p T, E T, N Jets ) Topologische und andere Bedingungen (Geometrie, Isolation, Ladung, Qualität)

Algorithmenlogik Logische KombinationenTeilchenbedingungen 128 flexible parallel laufende Algorithmen implementiert in FPGAs. Triggerentscheidung (Level-1-Accept) ist Funktion der 128 Triggerbits.

ATLAS- und CMS-Triggerkonzepte Schwellen bereits im Kalorimeter und Müonsystem gesetzt. Der zentrale Triggerprozessor erhält Objektmultipli- zitäten. Er hat keine Ortsinformation zur Verfügung, daher sind Topologie- bedingungen unmöglich. Eigene RoI- Elektronik für Level-2 Trigger nötig. Schwellen zentral im globalen Trigger gesetzt. Der globale Triggerprozessor erhält Objekte. Ihnen ist Ortsinfor- mation beigefügt, daher sind Topologie- bedingungen optionell. Diese ermöglicht spezifische Behandlung im HLT. Sortieren braucht aber etwas Zeit. Algorithmen- bits Algorithmen- und Eingangsbits

Standardmodell-Higgs Das Standardmodell beschreibt bis jetzt die Natur sehr gut, es hat aber einige theoretische Unzulänglichkeiten, darunter: keine echte Vereinigung aller Kräfte ( W aus Experiment, keine Gravitation etc.) Problem der Massen nicht gelöst, nur auf Higgsmechanismus verschoben Natürlichkeit: Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse der O(m H ) Bei LEP (s 209 GeV) wurden mögliche Higgskandidaten gefunden. Offizielles Resultat: m H > GeV Suchstrategie bei LHC je nach Higgsmasse: 80 GeV, H -> bb 130 GeV ZZ(*) -> 4 ( = e, ) 500 GeV ZZ -> Jets 500 GeV ZZ -> GeV WW-> + + Jets 800 GeV ZZ-> Jets -

H - m H = 130 GeV Higgssignal Ereignisse / 500 MeV für 100 fb -1 m Analyse-Ereignisselektion: 2 isolierte elektromagnetische Cluster, keine passenden Spuren im Tracker Mögliche L1-Triggerselektion: 2 isolierte e/

H -> ZZ(*) - 4 Leptonen Ereignisse / 2 GeV m(4 ) / GeV Mögliche L1-Triggerselektion: 2 oder mehr isolierte e/ oder m H = 150 GeV

H - Leptonen, Neutrinos, Jets m H = 800 GeV m(2, 2 Jets) / GeV Ereignisse / 200 GeV SignalUntergrund Mögliche L1-Triggerselektion: 2 e/ oder 2 1 oder 2 Jets Andere Kanäle: 1 oder mehr Leptonen, fehlende Energie, Jets

H -> WW -> + für m H ~ 2m W Für m H = 170 GeV ist das Verzweigungsverhältnis ca. 100 mal größer als für H- >ZZ*->4. Durch Ausnützung von W + W - -Spinkorrelationen kann man irreduziblen Untergrund unterdrücken. Man sucht nach Paaren mit kleinem Öff- nungswinkel. Mögliche L1-Triggerselektion: 2 e/ oder 2 Option: | < 45 0

Supersymmetrische Higgs-Teilchen Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) gibt es 5 Higgs-Bosonen: h 0, H 0, A 0 and H ±. Man braucht 2 Parameter zur Bestimmung der Eigenschaften: m A, tan. Bei großem m A sind die Kopplungen des h 0 ähnlich wie im SM. Die Kopplungen von A und H an Quarks mit Ladung 1/3 und Leptonen sind für großes tan erhöht. A koppelt nicht an WW, ZZ. Kopplungen von H an WW und ZZ für große m A und tan sind unterdrückt. Die folgenden Zerfallskanäle sind wie für das SM-Higgs zu behandeln: h, A -> (für m A bb h, H -> ZZ* (kein H -> ZZ bei großer Masse, da Verzw.verh. zu klein) Die folgenden Zerfallskanäle öffnen sich: H, A -> ( -Kanäle im Vergleich zum SM wichtig für große tan ) A -> tt; (H, A -> hh; A -> Zh) A, H -> supersymmetrische Teilchen H ± ->, tb Vektorbosonfusionskanäle qq -> qqHiggs ebenfalls möglich: mit h, H -> ; H -> ; h, H -> WW -> ; h -> ~~

h 0, H SM - > bb - m H = 115 GeV Ereignisse / 10 GeV m inv (Jet, Jet) /GeV Nur assoziierte Produktion aufgrund von Problemen mit Trigger und Untergrund! Analyse-Ereignisselektion: 1 isoliertes e or, 6 Jets von denen mindestens 4 ein b-tag haben müssen. Rekonstruktion beider ts durch kinematischen Fit nötig um kombinatorischen Untergrund zu unterdrücken. Resultat für m H = 115 GeV: S/B = 5.3, m/m H = 3.8% Mögliche L1-Triggerselektion: 1 isoliertes Lepton und mehrere Jets tth(H) -> ± qqbbbb

H, A - Aufgrund der hohen Rate überspannt dieser Kanal einen weiten Parameterbereich. Zugängliche Endzustände: (-> e e ) (-> ) (-> h ± 0 s ) (-> ) (-> h ± 0 s ) (-> h 0 s ) Mögliche L1-Triggerselektion: 1 e/ oder 1 -Jet Fehlende Energie Ereignisse / 5 GeV 10 fb -1 bei cm -2 s -1

Squarks, Gluinos Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Mögliche L1-Triggerselektion: Mehrere Leptonen: e/ oder (beliebige Kombinationen) Mehrere Jets Fehlende Energie je nach Zerfallskanal pp -> qq ~~

Charginos, Neutralinos, Sleptonen Mögliche L1-Triggerselektion: Mehrere Leptonen: e/ oder (2 oder 3, beliebige Kombination) Fehlende Energie Jetveto Ereignisse / 5 GeV SM-Untergrund Endzustand mit 3 + fehlender Energie, keine Jets ~ ~ Beispiel für Drell-Yan-Produktion von 1 ± 2 0 : qq -> W* -> 1 ± 2 0 -> 1 0 ± > ± -> oder 2 0 -> ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~

Raten und Algorithmen Ausgangsrate maximal 100 kHz (25 bis 30 kHz mit Sicherheitsfaktor) - Aufsetzen der Triggertabelle - gleichzeitige Festlegung der Schwellwerte Niedrige Luminosität: cm -2 s -1 Hohe Luminosität: cm -2 s -1 Schwellwerte in GeV

Zeitliche Anforderungen Triggerentscheidung durch globalen Trigger alle 25 ns - jede Strahlkreuzung muß betrachtet werden - Level-1-Accept je nach Triggerregeln (Registrierung der Totzeit, < 1%) Rechenzeit klein im Vergleich zur gesamten Level-1-Latenzzeit (3,2 s) ns (8 Strahlkreuzungsintervalle)

Technische Anforderungen Technische Trigger zusätzlich zu Physiktriggern - Kalibration, Synchronisation, Tests Effizienzen für jeden Triggeralgorithmus müssen bestimmbar sein - durch überlappende Trigger (niedrigere Schwellen, Unterdrückung von Korrelationen etc.) - Kontrolle durch Monte-Carlo Triggerung von Prozessen mit hohen Raten mit Skalenfaktor Physikalische und technische Überwachung durch on-line und off-line Monitoring Triggerentscheidung muß nachvollziehbar sein - Aufzeichnung der Triggerdaten jedes Ereignisses - Aufzeichnung von Ereignissen, die nicht triggern würden (optionell) - Aufzeichnung von Ereignissen vor und nach der Trigger-Strahlkreuzung (optionell) Effizienzen fuer mu kein Problem, jedoch evtl. fuer Jets aus mSUGRA fuer hohe Lumi

Die Umgebung des globalen Triggers 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 Triggersteuersystem 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)Eingangssynchronisation GTL (Global Trigger Logic) Logik FDL (Final Decision Logic) L1A-Entscheidung TCS (Trigger Control System)Triggersteuersystem TIM (Timing-Modul)Timing GTFE (Global Trigger Frontend) Auslesung

Crate des globalen Triggers

Elektroniklayout in der Detektorkaverne

Robustheit des globalen Triggers Mögliche Probleme und deren Vermeidung: Falsche Müonen (Punchthrough, Geister, Rauschen): Problem durch CMS- Müonsystem und Magnetfeld sowie aufwendiges Müontriggerdesign minimiert Beam Halo: wenig Beitrag, da Trigger auf Vertexausrichtung basiert Potentialverschiebungen etc. (v.a. Kalorimeter): vermieden durch 400 Hz Stromverteilungssystem, wären durch Monitoring im globalen Trigger sichtbar Kaputte oder rauschbehaftete Kanäle: bereits auf lokalem und regionalem Niveau sichtbar, aber der globale Trigger kann aufgrund der Ortsinformation bestimmte Regionen ausschließen. Er prüft auch Paritäts- u.a. -bits. Triggerelektronik: Der globale Trigger und der globale Müontrigger befinden sich im selben Crate. Die Temperatur des Racks wird ständig überwacht, die Umgebung ist vor radioaktiver Strahlung geschützt. Design der Backplane sorgfältig: alle Signalleitungen durch GND oder PWR-Layers abgeschirmt, Übersprechen durch Geometrie vermieden, Wahl von Steckern mit geringem Übersprechen und geeigneter Impedanz zur verzerrungsfreien Übertragung der Signale auf der Backplane. Es ist daher keine nennenswerte Fehlerrate durch die Digitalelektronik zu erwarten. Clockverteilung: LHC-Clock vom Beschleuniger erzeugt, via Glasfasern mit weniger als 100 ps Jitter verteilt. Auf der GT-Backplane differentiell zu den einzelnen Platinen geschickt, von dort durch PLL-Chips mit weniger als 200 ps Jitter zu den Einzelchips verteilt. Zur Überwachung des Zeitverhaltens gibt es Synchronisationsbits.

Robustheit des globalen Triggers Eingangsbitfehler: Der globale Kalorimetertrigger und der regionale Müontrigger befinden sich in benachbarten Racks. Diese erhalten die Eingangsdaten über Glasfasern. Die wahrscheinlichste Quelle für Bitfehler sind die Channel Links, über die die Daten vom globalen Kalorimetertrigger zum globalen Trigger kommen. In einem Testaufbau mit 1 Link wurden innerhalb von 2 Wochen keine Fehler bei parallel geschickten Daten mit 40 MHz festgestellt, d.h. die Bitfehlerrate ist kleiner als Abschätzung der Rate durch Eingangsbitfehler: Ca Bits werden alle 25 ns im Crate des globalen Triggers verarbeitet. Fehlerrate < 2000 Bit x 40 MHz x Fehler/Bit = 0,008 Bitfehler / Sekunde 3, : 1. D.h. bei Ausgangsrate von 30 kHz ist das Verhältnis zwischen fehlerlosen und fehlerbehafteten Triggern größer als 3, : 1. N.B. Dies stellt ein Worst Case Szenario dar, da Daten sowohl am Eingang als auch zwischendurch überprüft werden.

Zusammenfassung Konzept des Level-1-Triggers und insbesondere des globalen Triggers von CMS vorgestellt Der globale Trigger eignet sich zur Selektion der physikalisch interessanten Ereignisse Durch sein spezielles Design, das komplexe Triggerbedingungen erlaubt, ermöglicht er die Auszeichnung besonders interessanter Ereignisse bei gleichzeitiger Unterdrückung von Untergrund Protokollauszug der Sitzung des Large Hadron Collider Committee (LHCC) vom März 2001: The concept of the L1 trigger built around the topological association of predefined elements associated with leptons, photons, jets and missing energy is well suited to the challenge of triggering in a flexible and responsive manner.

Danksagung Dank für ihre Beiträge im Zuge meines Habilitationsverfahrens ergeht an: - meine Kollegen am Institut für Hochenergiephysik und am CERN, besonders an A. Taurok besonders an A. Taurok - die Mitglieder der Habilitationskommission und die Gutachter, besonders an Prof. Rauch und Prof. Kummer besonders an Prof. Rauch und Prof. Kummer