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

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 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 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

1. Gas-betriebene Spurkammern WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Ionen/Elektronen in Feldern Drift und Diffusion Zwei Effekte: -- Diffusion der Ladungswolke Immer da durch Abstossung der Ladungen und ihre thermische Bewegung. Maxwell, ve=106cm/s, vion=104cm/s Diffusionskoeffizient ( freie Weglänge) -- Drift der Ladungen im elektrischen Feld. Drift-Geschwindigkeit: Ionen niedrig, e- hoch Beweglichkeit (u=Geschwindigkeit): Einstein: Lambda fuer klassische ideale Gase: lambda = 1/sqrt(2) kT / sigma_0 p, wobei sigma_0 der totale WQS fuer Kollision mit Gasmolekuel ist. Im Feld: Drift, aber immer wieder unterborchen durch Kollisionen. In der Beweglichkeit: E ist Feldstaerke. Positive Ionen: u~E/p, also bei kosntantem p mu konstant! Elektronen: Beweglichkeit haeng von E ab. Beweglichkeit viel groesser, u bis 10^6 cm/s moeglich. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Mechanismen d. Ladungserzeugung Ionisation und Anregung Anregung eines Atoms: X+p  X*+p Resonanzprozess  ~ 1017 cm-2 Ionisation: X+p  X++p+e- keine Resonanz  ~ 1016 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-Paar F: Fano-Faktor E: deponierte Energie E: Fehler auf E (FWHM) N: Anzahl der Ionisationsprozesse. Unterschied zwischen Ionisationsenergie und Energie fuer ein Paar, weil im Mitel immer Energie in Anregung gehen wird. Beachte Problem der Rekombination: Elektronen muessen lange genug frei bleibenm damit man sie sammeln kann! In thin detectors: number of signal producting processes is poissonian. Variance sigma^2 = N (N=number of events). W ist die average energy required to prodiuce a pair, E is deposited energy 2.35 reliert FWHM und sigma. Energieverlust E ist proportional zu Anzahl der Prozesse N. Fanofaktor kodiert Information ueber alle anderen Prozesse die stattdinde nkoennen, aber keine Ionen erzeugen … WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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 Lawine fast nur im direkten Umfeld von Draehten, wo das Feld E = 1/r V0/ln(b/a)r Anzahl der Ionen in der Lawine proportional zu primaerer Energie! Gain bis 10^6. Gheiger-Zaehler: Quench-Gas muss da sein, dass Photonen einfaengt, da Kette von Lawinen durch Photonen aus der Abregung von Molekuelen erzuegt wird (die machen dann Lawinen auch da, wo eigentlich gar nichts passiert ist). Zusammenbruch: Konstante Entladung  Zerstörung des Detektors. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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) = n0 exp(ax) Multiplikator für Lawine (Gain): Annahme hier: uniformes Feld! M limitiert auf 10^8 physikalisch (Raether limit) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

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! C = kapazitaet pro einheitslaenge = 2pi epsion / ln(b/a) V+ wie V- aber mit ln(b/(a+r’)), also viel groesser, da r’ nur enige Radii des Drahtes ist (nur da Lawine!). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Driftkammern Übersicht Homogenes Feld  Driftgeschwindigkeit konstant! Felddrähte Elektroden zur Abschirmung Anode Teilchenfluss recht gering, da nur recht wenig Signaldraehte. Langsam! Gas macht viel aus – es gibt langsame und schnelle Gase! Solche mit viel und wenig Verstaerkung etc. Safety!!! Can build arrays of chambers, and also chambers in cylinders  see later! Wenig Hardware-Aufwand, aber sorgfältige Wahl des Gases und gutes Design des Feldes nötig (Homogenität!) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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. Potentialdifferenz: n*100 V Lawinenbildung erst nahe an Anode, vorher nur Drift! Signal auf mehreren Drähten! Abstand Anode zu Anode: mm Abstand Anode zu Kathode: mm Feld fast überall homogen! Zeitauflösung: 25-30 ns Feld an Tafel malen! Leo p142. Idee; Zweidimensionaler Aufbau  genaue Ortsaufloesung! Kleineres Spacing wird aber irgendwann unpraktikabel  limitiert auf ca. 1mm. Mehrspurauflösung! Weil mehrere Draehte. Zeitaufloesung: Leading edge ist schnell, weil Signal sofort bei Beginn der Drift ankommt. 8% des Signals der Ionen sind in 10ns da – also leading edge schnell! Aber Zeitspread zwischen Beginn und Ende der Drift. Aber erste Elektronen bei Durchgang eines Teilchens durch die ganze Kammer koennen nicht mehr als ein halbes wire spacing weg sein, und das ist typisch ein mm, also nur wenige ns! Realisierung auch mit Kathodenstreifen! Dann gewichteter Ort der verschiedenen Signale  Ortsaufloesung Gut! ( Merke: Bei den verschiedenen Anodenstreifen hat nur der naechste ein negatives Signal durch Ionen, alle anderen ein positives. Bei den Kathodenstreifen haben alle das gleiche Vorzeichen!. Y = sum (Q_I * y_I) / sum(Q_I) 100 mu Orstaufloesung auch durch Charge division: Ladung am Ende eines Drahtes ist proportional zum Abstand der Deposition zu diesem Ende: y = L Q_A / (Q_A+Q_B). Bis zu 0.4% von L als Aufloesung erreicht. Ortsauflösung 0.5*Anodenabstand. Kathodenstreifen: 100 µm WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zylindrische Driftkammern Der Standard in HEP Viele Driftkammern Proportionalkammern Time Projection Chamber Jet-Kammer Tasso-Anrodnung: Kleinknecht p111 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zylindrische Driftkammern Der Standard in HEP Tasso-Driftkammer Erstes Bild rechts: Jade Jade-Jet-Kammer: Mehr Bildpunkte pro radialer Spur. Transversales Feld WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer Prinzip der Ortsauflösung Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer Am Beispiel von Aleph Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer Prinzip der Auslese Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer Bilder von Aleph Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer Das erste Aleph-Event-Display WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer … und das letzte WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer Auflösungen bei Aleph WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zeitprojektionskammer Teilchen-Identifikation mit der TPC Auch Tesla verwendet vermutlich TPC WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Microstrip Gas Chambers Die MWPC in mini – schnell und präzise Driftfeld Verstärker-Folie Ein paar Schoten ueber HERA-B erzaehlen. Oder CMS – es ist also schwierig, so ein Ding zu bauen. Anoden Anoden WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Microstrip Gas Chambers MSGC Es gibt auch Silizium-Driftkammern WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 2. Myon-Kammern Mal Kapitelueberschriften aus TRD section 3 vorlesen Auf Anzahl der Autoren hinweisen. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Pseudo-Rapidität … Vorwärts und Zentral / Barrel  =2.4 Theta ist polar =1.3 =0.9 =0 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern: Motivation ppHZZ*4 Verschiedene Higgse!!! Also auch SUSY! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern: Motivation ppbbtag+B0 Weitere Kanaele: tWmu Y-Reko in heavy ion  production rates  QGP? WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Myonkammern: Motivation ppZ zur Kalibration! Schwere Bosonen/Leptonen Invariante Masse hinschreiben m=sqrt((e1+E2)**2-(vecp1+vecP2)**2) ist invariante – MAsse des Teilchens, das zerfallen I Schwere Bosonen? Invariante Masse! Weitere Leptonen – schwer, sollten in Muon-Kammern gemessen werden! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern Gesamtansicht aller Systeme WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern Gesamtansicht aller Systeme im Barrel WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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 250 mu Aufloesung pro Lage , damit 100 mu Aufloesung pro Station! 60 Chambers fuer innere drei Lagen, 70 aussen. HV ca. kV Zwei Superlayer für r- Messung, einer für z. Stationen 1 und 2: Je zwei RPC (innen, aussen) Stationen 3 und 4: Eine RPC innen. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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. 200000 Kanäle WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern – Trigger Resistive Plate Chambers: Arbeitsweise Schnelle Response  BC-ID! Billiger und einfacher Readout hohe Segmentierung möglich  gute Myon-pT-Auflösung. Zuerst im Streamer-Mode betrieben: sehr kurzer hoher HV-Puls  Entladungskanäle mit hoher Zeitauflösung! Aber: langsame Erholung! Jetzt: Oberer Rand Proportionalitätsbereich  Ratenverträglich! Readout braucht keine PMT oder so … Material ist Bakelit. Schnell wie Szintillatoren. Wichitg: Bei CMS auch DT und CSC zum Triggern benutzt; alle haben andere Sensitivitaet auf Background fuer Muonen. Zwei solche Dinger aneinander machen eine RPC. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

RPC: Layout 6 Kammern im Barrel -HV -HV Bakelit Readout der Streifen (Signal wird induziert) Feld Readout braucht keine PMT oder so … Material ist Bakelit. Schnell wie Szintillatoren. Wichitg: Bei CMS auch DT und CSC zum Triggern benutzt; alle haben andere Sensitivitaet auf Background fuer Muonen. Zwei solche Dinger aneinander machen eine RPC. Das Feld wird erzeugt durch Aluminium-Folien auf der Rückseite der äußeren Bakelit-Schicht. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern Barrel-Station mit DTs und RPCs. Laenge bis zu 2.5 Meter. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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 Myon Drähte Kathoden Streifen Wire pitch 3.12 mm. Ebenenabstand ca. 9,5 mm. Streifen sind ca. 3-16mm breit Draht Induzierte Ladung Lawine WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern Impuls-Auflösung Hohe pt  weniger Kruemmung  Aufloesung schwieriger. Kombination mit Inner Tracker wesentlich! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Myonkammern ppZ zur Kalibration! Z: Nur µ-Kammern Z: µ-Kammern+Tracker Auflösung wenige GeV. Z’: 150 GeV Das ist ein ATLAS-Bild! Z’: 300 GeV WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 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. Hinweis auf Trigger spaeter… WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 3. Trigger WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 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? WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Wirkungsquerschnitte … warum eigentlich ein Trigger? WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

PHYSICS AT THE LHC Comparison of SM and ‘new physics’ processes Small cross- sections for ‘new physics’ processes … and small branching ratios (e.g. H). SM processes dominate. At high luminosity ~23 events overlaid … for 2•1033cm-2s-1 usually only one event 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… Necessity of efficient trigger! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

ATLAS TRIGGER MENU COVERAGE Triggering mostly with inclusive / di-leptons. • 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 Inclusive and di-lepton B physics • specialised, more exclusive menus H • 2EM15I at L1, 220i at L2. Also MSSM. SUSY, leptoquarks • High pT jets with/without ETmiss. Resonances, compositeness • High pT jets. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS THE ATLAS EXPERIMENT - Length ~40 m - Diameter ~25 m - Weight ~7000 t - 108 channels (event ~2MB) - ‘Inner (tracking) Detector’ - calorimeters (energies) - muon detectors - Barrel: solenoid around ID and toroid fields in muon system - Endcaps: toroid fields WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

THE ‘INNER DETECTOR’ Pixel Detector: Transition Radiation Tracker - 3 barrel layers - 2•4 end-discs - 140•106 channels - R=12m,z,R=~70m - || <2.5 Transition Radiation Tracker - 0.42•106 channels - =170m per straw - || <2.5 Silicon Tracker: - 4 barrel layers, || <1.4 - 2•9 end-discs, 1.4 <  < 2.5 - Area 60 m2 - 6.2•106 channels - R=16m, z,R=580m WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

THE CALORIMETERS Hadronic Tile: Hadronic LAr Endcaps: - 463000 scintillating tiles - 10000 PMTs - Granularity 0.1•0.1 - : <1.0, (0.8-1.7) - L=11.4 m, Rout=4.2 m Hadronic LAr Endcaps: - steel absorbers - 4400 channels - 0.1•0.1 / 0.2•0.2 - 1-5  EM LAr Accordeon: - lead absorbers - 174000 channels - 0.025•0.025 - : <2.5, <3.2 Forward LAr: - 30000 rods of 1mm - cell size 2-5cm2 (4 rods) - : <3.1, <4.9 - 1 copper, 2 tungsten LAr Pre-Sampler Against effects of energy losses in front of calorimeters WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS THE MUON SYSTEM Cathode Strip Chambers - 67000 wires - only for ||>2 in first layer - space=60m, t=7ns Resistive Plate Chambers - 354000 channels - space=1cm - trigger signals in 1ns Thin Gap Chambers - 440000 channels - ~MWPCs Monitored Drift Tubes - 3 cylinders at R=7, 7.5, 10m - 3 layers at z=7, 10, 14 m - 372000 tubes, 70-630 cm - space=80m, t=300ps (24-bit FADCs) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

THE ATLAS TRIGGER: OVERVIEW Multi-layer structure for rate reduction: 1 GHz  100 Hz. } - Hardware-based (FPGAs and ASICs) - Coarse granularity from calo/muon - 2s latency (pipelines) L1 } - ‘Regions-of-Interest’ - ‘Fast rejection’ - Spec. algorithms - Latency ~10ms L2 } EF - Full event - Best calibration - Offline algorithms - Latency ~seconds Pipeline hat ca. 40 events laenge. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

THE CALORIMETER TRIGGER II Builds candidate objects (RoIs): electrons/photons, taus/hadrons, jets. Ideas about core definitions, isolation criteria not really finalised. 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 ET). • 8 (4) (forward) jet ET thresholds. • Total/missing ET from jets (sum of 0.2·0.2 jet elements to ·=0.4·0.2, conversion to Ex,Ey, then summation). • Maximum of EM+HA ET in 2·2 ‘RoI’, isolation criteria (alternative core definitions?). • Multiplicities for 8(8) e/ (/ hadron) ET thresholds. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS THE MUON TRIGGER pT information from hit coincidences in successive detector layers. precision chambers Trigger chambers: • 3 RPC stations for ||<1.05 • 3 TGC stations for 1.05<||<2.4. • 2 , layers per station (TGC 2/3) trigger chambers Procedure: • Put predefined ‘roads’ through all stations (width in  ~ pT). • If hit coincidences in 2(3) stations  muon candidate for pT thres- hold corresponding to ‘road’. • ‘Roads’ can be defined for 6 different pT thresholds (for which multiplicity counts are delivered to the CTP). • BCID=1.5 ns. ATLAS quadrant in rz view WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

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!) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

THE L1 DECISION Derived in the ‘Central Trigger Processor’ (CTP). calorimeter, muon Multiplicities of objects above pT thresholds ‘Conditions’: multiplicity requirements ‘Items’: logical combinations of ‘conditions’ L1 result as ‘OR’ of all ‘items’ CTP Inputs to HLT: L1 result and objects with pT,,. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

L1 CONFIGURATION Based on XML: • Simple definition of logical structures (better HTML). • Simple ‘parsing’ into instances of C++ classes. Definition of objects to be triggered: Trigger Menu <TriggerMenu> <TriggerItem> <AND> <TriggerCondition threshold=“MU6” multiplicity=“2” /> <TriggerCondition threshold=“JT90” multiplicity=“1” /> </AND> </TriggerItem> </TriggerMenu> Structure of L1 decision configures CTP. Def. of objects for which calo and muon deliver multi- plicity counts: thresholds <TriggerThreshold name=“MU6” value=“6” bitstart=“3” bitlength=“3” etamin=“-5” …. /> <TriggerThreshold name=“JT90” value=“90” bitstart=“6” bitlength=“3” etamin=“-5” …. /> Calo and muon need to know which multiplicity is to be delivered on which physical line. Description of hardware Prevent from configuring logical structure that exceeds CTP’s abilities (number of inputs etc.). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

HLT: DESIGN OVERVIEW ~102 kHz ~1 kHz ~102 Hz HIGH-LEVEL TRIGGER (HLT) Level1 (L1) ~102 kHz LEVEL 2 (LVL2) ~1 kHz Selection ~102 Hz Event- Filter EventFilter (EF) Classification Offline High-Level Trigger: Design Hardware Implementation Read-Out Subsystem Modules Simplified subsystem view WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

HLT: SELECTION PRINCIPLES 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). ‘Regions-of- Interest’ (RoI) Step-wise process and ‘Fast rejection’ ¶ After every step: Check whether selection criteria still fulfilled  optimal use of HLT processors. Flexible L2/ EF boundary ¶ 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 ;-) ). Use of offline reconstruction algorithms WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

HLT DECISION (LEVEL2 AND EF) Overview of step-wise procedure with ‘dummy’ example Ze+e- decision part algorithmic part ‘Physics Signature’: Ze+e- with pT>30 GeV ‘Intermediate Signature’ ‘Intermediate Signature’ ‘Intermediate Signature’ HLT kriegt bessere Grnaularitaet und mehr Zeit  mehr Info und mehr Zeit fuer detaillierte Analyse! L1 result: 2 EM clusters with pT>20 GeV After every step: test + possibly rejection. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

LEVEL1 SELECTION: PLANNING Rates in kHz; thresholds define 95% efficiencies. Muon triggers contribute to (di)lepton signatures. Selection 2·1033 cm-2s-1 1034 cm-2s-1 MU6(20?) (20) 23 (3?) 4.0 2MU6 --- (1?) 1.0 EM25i (30) 11 22.0 2EM15i (20) 2 5.0 J200 (290) 0.2 3J90 (130) 4J65 (90) J60+xE60 (100) 0.4 0.5 TAU25+xE30 2.0 MU10+EM15i --- others total ~ 44 (25?) ~ 40 Electron/photon triggers strong; large backgrounds. Low rate for jet triggers; difficult to control backgrounds New studies assume much reduced  rate (~kHz). No safety factors included (LO MonteCarlos etc.). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

THE CALORIMETER TRIGGER I Complex system with many modules to be developed. analog sums of EM/HA cells  7200 trigger towers (granularity 0.1•0.1) digitisation, presumming to jet elements with 0.2•0.2 granularity cluster processor: Find e/ and /hadron candidates in 6400 trigger towers (||<2.5) jet/energy processor: - Find jet candidates in 30•32 jet elements for ||<3.2 Build total ET sum up to ||<4.9. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

L1 CONFIGURATION “Parsing” Definitions of trigger menu <TriggerMenu> <TriggerItem> <AND> <TriggerCondition threshold=“MU6” multiplicity=“2” /> <TriggerCondition threshold=“JT90” multiplicity=“1” /> </AND> </TriggerItem> </TriggerMenu> “Parsing” Definitions of trigger menu Logical tree structure of XML tags Implementation in C++ classes WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

PROBLEM: HARDWARE CONFIGURATION  Tests of hardware and software systems.  Needs common input data.  Needs unified configuration for simulation software and hardware. Idea: Run simulation against L1 hardware  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 Status  First lookup table files successfully loaded.  First (simple) VHDL code written. Translating and loading dangerous (damaging FPGA). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS TRÍGGER STUDIES Only rigidly done for L1+L2. EF should be ~100% efficient. Most studies from 1998 Trigger Performance Status Report. 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 ETmiss 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). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

HLT SELECTION: PLANNING Optimization of efficiency/rejection and CPU load / data volume. Selection 2·1033 cm-2s-1 1034 cm-2s-1 Rates (Hz, low lumi) Electron e25i, 2e15i e30i, 2e20i ~40 Photon 60i, 220i Muon 20, 210 Jets j400, 3j165, 4j110 j590, 3j260, 4j150 ~25 jet+Etmiss j70+xE70 j100+xE100 ~20 tau+Etmiss 35+xE45 60+xE60 ~5 B physics 26 with mB/mJ/ 26 with mB Total ~200 Rate·Event size (1.6MB)  needed band widths / storage volume Rate·CPU time  number of processors (500?) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

L1 e/ TRIGGER threshold ~30 GeV Tolerable rate dictates ET thresholds. Isolation criteria vital for rate control. EM isolation for e/jets Inclusive e/ trigger rate for high lumi with/without isolation. threshold ~20 GeV Selection Threshold [ET in GeV] Rate [kHz] 1 e/ 17 / 26 11 / 21.5 2 e/ 12 / 15 1.4 / 5.2 Total rate 13 / 27 e/ pair trigger rate for high lumi with /without isolation. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS L1 /hadron TRIGGER For Z, W with additional lepton or ETmiss. Problems: - Core definition (2•1,2•2,2•2+4•4 etc.) - isolation threshold definition. 25 GeV threshold, but no single tau / hadron trigger planned for (hadr. decays HA calibration?). Selection EM Isolation Rate 20 GeV 7 GeV 16 kHz 40 GeV 10 GeV 2.1 kHz 25 GeV+ETmiss 1-2 kHz L1 tau/hadron efficiency as function of tau pT. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

L1 MUON TRIGGER PERFORMANCE Mainly want to trigger W/Z. Semilept.b,c is background (L2). TGC efficiency for different thresholds sharp rise, good . Type Barrel Endcap All Non-pp 6 GeV 10 13.2 23.2 >0.4 20 GeV 1 2.8 3.8 >0.026 Fake rates from background particles about 10Hz/cm2? New muon studies assume less rate. Muon trigger rates overview [kHz] WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

HLT: CALORIMETER TRIGGERS • Main backgrounds in L1 sample: 0 and narrow hadronic jets. • Algorithms mainly based on ET, hadronic leakage, lateral shower shape and sub-structures in cluster (use of track veto possible). Back sampling (0.05•0.025): 2-12X0 Variables: - EM-ET in 3•7 cells E=wgl(wps*Eps+E1+E2+E3) - HA-ET - lateral shape in 2. sampling: R = E3*7 / E7*7 >0.9 for e - lateral shape in 1. Sampling for narrow hadr. showers or jets with small Ehad - Cuts tuned for >0.95 with large jet rejections Second sampling (0.025•0.025): 24X0 First sampling with finer cell granularity for 0 rejection (0.003•0.1): 6X0 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

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

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS HLT JET TRIGGER: 1,3,4 JETS Hard to suppress BG without inv. Mass cuts. Sum cells to 0.1•0.1; run jet algo on 1.0•1.0 window around RoI. Algorithms? Cell noise cut? Threshold definition? Window size? L2/L1 reduction for low lumi at 90(95)% L2(L1) 1-jet efficiency (2 at 80 GeV). L1 TT cut 1 GeV L2 jet efficiency for 50,100,150 GeV as function of threshold (cone, threshold from trigger jet). Type L1 [kHz] L2 [kHz] J180 0.2 0.12 3J75 0.08 4J50 0.04 Rates for =95(90)% L1(L2). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

HLT MUON TRIGGER: 20, 210 • Get pT(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%. --- W,Z signal • b,c BG Also ET criteria in calo cones Calo discriminates W/Z vs. b,c. Efficiency >95% with r.m.s momentum resolution of 1-2 GeV (7% for 6 GeV)). 200(300) Hz L2 trigger rate for  signatures (without B triggers with exclusive requirements on masses). L2 trigger algorithm efficiency in barrel for two thresholds. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS