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

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

Fragen der Teilchenphysik Simulierter Higgs-Zerfall im CMS-Detektor: Wo ist das Higgs-Boson? das letzte unbeobachtete Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik Vermittler der Masse Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung 2µ 2e SM-Higgs Produktions-Kanäle: Quelle: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2009/03/13/closing-in-on-the-higgs-boson/ Quelle: http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/higgs.html 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Fragen der Teilchenphysik Gibt es Supersymmetrie? mögliche Erklärung des Hierarchie-Problems: Higgs-Skala (102 GeV) << Planck-Skala (1019 GeV) warum? Quelle: http://www.physics.gla.ac.uk/ppt/susy.htm 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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: http://universe-review.ca/I15-30-extradim.jpg 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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: http://cerncourier.com/cws/article/cern/29199 ATLAS-Simulation 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2006/08/27/identifying-dark-matter/ http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2006/08/21/dark-matter-exists/ http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/media/bullet.mpg Quelle: http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/ 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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.? 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

CMS am Large Hadron Collider (p-p) Französische Alpen Genfer See LHC U = 26,7 km Torbit = 89 µs Tcollision = 25 ns Zwei Protonenbündel zu je 100 Mrd. Protonen kollidieren @ 40 MHz. Im Schnitt 18 inelastische Wechselwirkungen (bei L = 1034 cm-2 s-1). 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Christian Hartl (HEPHY, CERN) Quelle: http://www.boston.com/bigpicture/2008/08/the_large_hadron_collider.html 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Compact Muon Solenoid (CMS) 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: B = 4 T (axial) L x D = 21 m x 15 m 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Christian Hartl (HEPHY, CERN) Compact Muon Solenoid Quelle: http://www.boston.com/bigpicture/2008/08/the_large_hadron_collider.html 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter LHC CMS-Detektor CMS-Level-1-Trigger Globaler Trigger Kollision (p-p) Inel. Ereignis Sekundärereignis 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 p 9. Globaler Trigger sucht nach >100 definierten Physiksignaturen (z.B. 2 Photonen über vorgegebener Schwellenergie). H  γ γ max. 3.2 µs High Level Trigger 12. High Level Trigger: Computer-Farm untersucht Daten genauer, filtert Interessanteste heraus. (Berechnung basiert auf kompletten Event-Daten.) Event- Daten L1A DAQ GRID Signatur gefunden? 11. Datenakquisition empfängt Ereignis-Daten von Detektor und Trigger 10. Global Trigger schickt Level-1 Accept 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter CMS hat zwei Filter-Stufen Stufe: Level-1 Trigger High 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/s 3·106 GB/a Verarbeitungszeit pro Ereignis: max 3.2 µs (aber fix) (Silizium-Tracker-Limit) max. 40 ms 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter Level-1-Trigger Hardware Myonen-Trigger: Kalorimeter-Trigger: global: die vier besten Myonen regional: Spuren vom DT/CSC Track Finder Spuren vom RPC Pattern Trigger lokal: Spursegmente von DT/CSC RPC Hits 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 HEPHY L = 1034 cm-2s-1 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Christian Hartl (HEPHY, CERN) 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) 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Christian Hartl (HEPHY, CERN) Der Globale Trigger 0. LHC-Clock-Input. Verteilung. TIM 1b. Empfang von Kalorimeter-Objekten und anderen Signalen. Synchronisation. PSBs 1a. Empfang von technischen Trigger-Signalen (Beam-Trigger etc.). Synchronisation. 1c. Empfang von Myonen. Synchronisation. GMT PSBs (hinter GMT) 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) Trigger Control System 3. Logisches ODER aller positiven Algorithmen und technischer Trigger-Signale 2. Berechung von bis zu 128 Trigger-Algorithmen GTFE FDL GTL 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Der Globale Trigger 40 MHz Pipeline-Logik calo & muon objects GTL FDL 1. Logic OR 2. Prescale 3. Rate Counters CMS regional trigger GCT GMT calo & muon objects 128 algos Level-1 64 tech technical trigger objects (BPTX, BSC etc) 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 rand-gen calib-gen TCS deadtime counters random physics calib L1A candidate backpressure trigger rules... TCS Global Trigger L1A to detector 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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

Globar Trigger – Zyklus der Datennahme configured enabled halted suspended configure enable suspend stop stop' enable' cold-reset repartition change prescaling configure GT: hardware setup GT: periodic orbit signal (BC0) to CMS systems enable GT: start signal to CMS systems GT: trigger sources ON (physics, random, calibration) stop GT: trigger sources OFF 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 x 8 Detektor kann in 8 Teilgruppen aufgeteilt werden, jede kann unabhängig gesteuert werden. 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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

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. 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Datenbank-Abbildung der Physik-Algorithmen 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Hardware/Datenbank-Konfigurations-Editor z.B. Änderung der Input-Synchronisations- Einstellungen für technische Trigger-Signale 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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) 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Editor für Prescale-Faktoren vordefinierte Prescale-Faktoren für unterschiedliche Luminositätswerte 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Z.B. Konfigurations-GUI (Algorithmen etc.) z.B. Einstellung neuer (vordefinierter) Prescaling-Werte während der Datennahme z.B. An-/Ausschalten von Algorithmen für den Trigger 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Z.B. Status-Monitoring des Detektors Warten auf Detector-READY… Run noch nicht gestartet (GT output = "idle")… 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Z.B. Triggerraten-/Totzeit-Monitoring CMS Monitoring Infrastruktur Monitoring von Triggerraten und Totzeiten gibt Aufschluss über defekte Detektorkomponenten  temporäre Entfernung aus Datennahme ORACLE Datenbank 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Christian Hartl (HEPHY, CERN) 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. 20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN)