LHC Days in Split 10 Oct Claudia-Elisabeth Wulz Institute for High Energy Physics, Vienna The CMS Trigger

Cross Sections and Rates Cross sections for different processes vary by many orders of magnitude inelastic: 10 9 Hz W : 100 Hz tt: 10 Hz Higgs (100 GeV): 0,1 Hz Higgs (600 GeV): 0,01 Hz Required selectivity 1 : Trigger -

Event type Properties of the measured trigger objects Event accepted? T( ) YES NO Depends on Trigger objects Trigger objects (candidates):e/,, hadronic jets, -Jets, missing energy, total energy Trigger conditions: Trigger conditions: according to physics and technical priorities Successive steps Principle of Triggering

CMS Detector (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

Conventional Concept with 3 Steps Investment in specialized processors, control

CMS Concept with 2 Steps Investment in band width and commercial components Advantages: Fewer components, scalable

Evolution of Trigger Requirements ATLAS/CMS: Rather high rates and large event sizes Interaction rates: ~ Factor 1000 larger than at LEP, ~ Factor 10 larger than at Tevatron

Level-1 Trigger Only calorimeters and muon system involved Reason: no complex pattern recognition as in tracker required (appr tracks at cm -2 s -1 luminosity), lower data volume Trigger is based on: Cluster search in the calorimeters Track search in muon system

Architecture of the Level-1 Trigger

Strategy of the Level-1 Trigger Local Energy measurement in single calorimeter cells or groups of cells (towers) Regional Determination of hits or track segments in muon detectors Regional Identification of particle signature Measurement of p T /E T (e/,, hadron jets, -jets) Determination of location coordinates (, ) and qualityGlobal Sorting of candidates by p T /E T, quality and retaining of the best 4 of each type together with location and quality information Determination of E T, H T, E T missing, N jets for different thresholds and ranges Algorithm logic thresholds (p T /E T, N Jets ) geometric correlations - e.g. back-to-back events, forward tagging jets - more detailed topological requirements optional - location information for HLT - diagnostics

Level-1 Calorimeter Trigger Goals Identify electron / photon candidates Identify jet / -jet candidates Measure transverse energies (objects, sums, missing E T ) Measure location Provide MIP/isolation information to muon trigger Jet e/ e/

Local / Regional Electron/Photon Trigger Trigger primitive generator (local) Flag max of 4 combinations (Fine Grain Bit) Hit +max of > E T threshold Regional calorimeter trigger E T cut Longitundinal cut hadr./electromagn. E T / < 0.05 Hadronic and electromagnetic isolation < 2 GeV One of < 1 GeV One of < 1 GeV Electron / photon

Local / Regional Electron/Photon Trigger Trigger primitive generator (local) Flag max of 4 combinations (Fine Grain Bit) Hit +max of > E T threshold

Jet / Trigger { Jet E T is obtained from energy sum of 3 x 3 regions - Jet E T is obtained from energy sum of 3 x 3 regions - sliding window technique, seamless coverage up to | | < 5 Up to | | < 3 (HCAL barrel and endcap) the regions are 4 x 4 trigger towers Up to | | < 3 (HCAL barrel and endcap) the regions are 4 x 4 trigger towers Narrow jets are tagged as -jets in tracker acceptance (| | < 2.5) if E T deposit matches any of these patterns

Muon Trigger Detectors Drift Tube Chambers and Cathode Strip Chambers are used for precision measurements and for triggering. Resistive Plate Chambers (RPCs) are dedicated trigger chambers.

Cathode Strip Chambers Drift Tube Chambers Local Muon Trigger 6 hit strips Form track segment Vector of 4 hit cells Correlator combines vectors to track segment Comparators allow resolution of 1/2 strip width Superlayer Station

Regional DT/CSC Muon Trigger (Track Finder) Trigger relies on track segments pointing to the vertex and correlation of several detector planes 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 Drift Tube Trigger (CSC Trigger similar) ETA track Finder!!

Regional RPC Muon Trigger RPC-Trigger is based on strip hits matched to precalculated patterns according to p T and charge. For improved noise reduction algorithm requiring conincidence of at least 4/6 hit planes has been designed. Number of patterns is high. FPGA solution (previously ASICs) seems feasible, but currently expensive. Solutions to reduce number of patterns under study. 4/4 3/4 High p T Low p T 3/4 4/4

Global Muon Trigger DR/CSC/RPC: combined in Global Muon Trigger Optimized algorithm (no simple AND/OR_ with respect to efficiency rates ghost suppression -> Make use of geometry + quality

L1 single & di-muon trigger rates 20, 6;6 W =82.3 % Z =99.6 % Bs = 9.9 % 25, 5;5 W =74.1 % Z =99.5 % Bs =14.3 % 12, 8;8 W =91.4 % Z =99.7 % Bs =14.5 % 14, -;- W =89.6 % Z =99.8 % Bs =27.1 % L = cm -2 s - 1 L = 2x10 33 cm -2 s -1 working points compatible with current L1 p T binning | | < 2.1 Trigger rates in kHz 100 kHz DAQ 8 kHz for 50 kHz DAQ 4 kHz for

Global Trigger Physics requirements Physics requirements trigger decision The trigger decision is taken according to similar criteria as in data analysis: Logic combinations of trigger objects sent by the Global Calorimeter Trigger and the Global Muon Trigger Best 4 isolated electrons/photonsE T,, Best 4 non-isolated electrons/photonsE T,, Best 4 jets in forward regionsE T,, Best 4 jets in central regionE T,, Best 4 -JetsE T,, Total E T E T Total E T of all good jetsH T Missing E T E T missing, (E T missing ) 12 jet multiplicities N jets (different E T thresholds and -regions) Best 4 muonsp T, charge,,, quality, MIP, isolation Thresholds (p T, E T, N Jets ) Optional topological and other conditions (geometry, isolation, charge, quality)

Algorithm Logic in Global Trigger Logical Combinations Object Conditions 128 flexible parallel running algorithms implemented in FPGAs. Trigger decision (Level-1-Accept) is a function of the 128 trigger algorithm bits (for physics). 64 more technical algorithms possible.

Global/Central Trigger within ATLAS and CMS Thresholds already set in calorimeters and muon system. The Central Trigger Processor receives object multiplicities. It does not receive location information, therefore topological conditions are impossible. Separate RoI electronics for the Level-2 Trigger is necessary. Thresolds set in Global Trigger. The processor receives objects with location information, therefore topological conditions are possible. Special HLT algorithms or lower thresholds can be used for selected event categories. Sorting needs some time, however. Algorithm- bits Algorithm and input bits

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.

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.

High Level Trigger Goals Validate Level-1 decision Validate Level-1 decision Refine thresholds Refine thresholds Refine measurement of position and other parameters Refine measurement of position and other parameters Reject backgrounds Reject backgrounds Perform physics selection Perform physics selection

High Level Trigger Challenges Rate reduction Design input rate: 100 kHz (50 kHz at startup with luminosity 2x10 33 cm -2 s -1 ), i.e. 1 event every 10 s. Safety factor of 3: 33 kHz (16.5 kHz). Output rate to tape: order of 100 Hz Reduction factor: 1:1000 Allocation of input bandwidth to four categories of physics objects plus service triggers (1 or 0.5 kHz): - electrons/photons (8 or 4 kHz) - muons (8 or 4 kHz) - -jets (8 or 4 kHz) - jets + combined channels (8 or 4 kHz)Algorithms The entire HLT is implemented in a processor farm. Algorithms can almost be as sophisticated as in the off-line analysis. In principle continuum of steps possible. Current practice: level-2 (calo + muons), level-2.5 (pixels), level-3 (tracker), full reconstruction.

High Level Trigger and DAQ Challenges Processing time Estimated processing time: up to 1 s for certain events, average 50 ms About 1000 processors needed. Interconnection of processors and frontend Frontend has O(1000) modules -> necessity for large switching network.Bandwidth Average event size 1 MB -> For maximum L1 rate need 100 GByte/s capacity.

Electron/Photon HLT Algorithms Level-2.0 Only calorimeter information used. Algorithm based on clustering of energy deposits in crystals (barrel) and crystals / 3X 0 preshower (endcaps) and subsequent estimation of E T and position. Energy corrections for unrecovered bremsstrahlung are applied (also already at L1).Level-2.5 Matching with pixel detector hits. Separate streams for electrons and photons. Lower E T thresholds for electrons than photons.

Electron/Photon HLT Algorithms Level-3 Include full tracker information, starting from Level-2.5 pixel seeds. E/p matching for electrons. Check on hadronic energy vs em. energy depositions. At high luminosity isolation cuts are used to reject background from jets. Track isolation less sensitive to pileup than calorimeter isolation. Table with efficiencies for W and H -> gg TOBEDONE

HLT Algorithms for Jets and -like Objects Level-2 xxx

HLT Algorithms for s Level-2 xxx

HLT Algorithms for s Level-2 xxx

Conclusions Level-2 xxx

Acknowledgments - my colleagues in CMS and at HEPHY Vienna, especially D. Acosta, J. Erö, S. Dasu, N. Neumeister, H. Sakulin, W. Smith, G. Wrochna, A. Taurok. S. Dasu, N. Neumeister, H. Sakulin, W. Smith, G. Wrochna, A. Taurok. - to the Organizing Committee of LHC Days in Split for the invitation and the enjoyable workshop. the enjoyable workshop.