Das ATLAS-Experiment am LHC und der Ausbau des Triggers

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1 Das ATLAS-Experiment am LHC und der Ausbau des Triggers
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchen- Physik Mohamed Aharrouche, Bruno Bauß, Markus Bendel, Volker Büscher, Samuel Calvet, Reinhold Degele, Sebastian Eckweiler, Keith Edmonds, Frank Ellinghaus, Eugen Ertel, Frank Fiedler, Johanna Fleckner, Karl-Heinz Geib, Christian Göringer, Carsten Handel, Marc Hohlfeld, Tobias Hülsing, Gen Kawamura, Sebastian König, Lutz Köpke, Matthias Lungwitz, Lucia Masetti, Carsten Meyer, Deywis Moreno, Sebastian Moritz, Timo Müller, Andrea Neusiedl, Rainer Othegraven, Ruth Pöttgen, Nils Ruthmann, Heinz-Georg Sander, Ulrich Schäfer, Christian Schmitt, Christian Schröder, Giovanni Siragusa, Stefan Tapprogge, Tuan Vu Anh, Tobias Weisrock, Daniel Wicke, Simon Wollstadt Der Large Hadron-Collider (LHC) Das ATLAS-Experiment Ziele: Suche nach dem Higgs-Boson und neuer Physik (Supersymmetrie, Extra-Dimensionen, Schwarze Löcher) sehr gute Detektion und Vermessung von e/γ, μ,τ, Jets Spurdetektor: Pixel- und Streifendetektoren (Pixel+SCT) Übergangsstrahlungsdetektor (TRT Tracker): Spurdetektor und Teilchenidentifikation Kalorimeter: Flüssig-Argon (LAr), Szintillator&Photomultiplier (Tile) Myon-Spektrometer: Trigger- und Präzisionskammern Magnetsystem: Supraleitende Solenoid- bzw. Toroidmagneten Trigger- und DAQ-System; Datenauswertung mit GRID- Computing Dimensionen: Höhe: 22 m, Länge: 40 m, Masse: 7000 t, Auslesekanäle: ~108 Supraleitender Hadron-Beschleunigerring mit einem Umfang von 27 km Gegenläufige Protonenstrahlen mit einer Kollisionsenergie bis zu 14 TeV (zur Zeit 7 TeV) Vier große Experimente: ATLAS, Alice, CMS und LHCb Ziel bis Ende 2011: Integrierte Luminosität von 1 fb-1  schon erreicht !!!  Myon ATLAS Triggererweiterung für höhere Luminositäten am LHC RoI: Region of Interest PPr: Preprocessor CP: Cluster Processor JEP: Jet Energy Processor CTP: Central Trigger Processor L1A: Level1 Accept Kalo: Kalorimeterdaten Myon: Myonenspurkammerndaten Spur: Spurpunkte aus dem inneren Detektor Motivation des Ausbaus Datenrate Zeit pro Ereignis Kalo Myon Spur DAQ RODs DAQ & RoI RODs ~1 PByte/s 1. Trigger Stufe < 75 kHz Informationsgewinn stagniert bei langer Laufzeit Steigerung der Luminosität in 3 Ausbauphasen Höhere Ereignisrate bei gleicher Effizienz Reduzierung des Untergrundes aus Ereignis-überlagerungen durch topologische Schnitte Zusammenführen aller Topologischer Informationen in einem Modul (Topo. Prozessor) mit sehr hohe Eingangsbandbreite (~ Tb/s) Phase0(2013/2014): ~??·1034 cm-2s-1 Hinzufügen des Topologischen Prozessors Phase1(2018): ~??·1034 cm-2s-1 Neuer Pixeldetektor, ?? Phase2(2022/2023): ~5·1034 cm-2s-1 Aufspalten von Level1 in Level0 & Level1 Spurrekonstruktion in Leve1 Pipeline Speicher Myon Info 2,5 ms (0.1x0.1) Myon E/g t/had (CP) L1A Topo- Proz. CTP Auslese Pre- Proz. (PPr) 2. Trigger Stufe ~1 kHz Jet/SET (JEP) (0.1x0.1) ~ 10 ms Daten: Analoge Summen von Kalorimeterzellen (ΔφxΔη) (0.2x0.2) Datenkomposition DAQ & RoI RODs Ereignisfilter ~100 Hz 550 MByte/s ~ 1 s Das Trigger-System Demoboard GOLD Aufgaben: Realisierbarkeit einer Datenübertragung bis zu 10 Gb/s (De-/ Serialisierung, Opto/Elektro-Wandlung) Latenzbestimmung der Daten- verarbeitung und Algorithmen Verwendung von ATCA-Formfaktor Zahlen & Fakten: 9 Virtex6-FPGAs (VHX/VLX) Eingangsbandbeite: ~ 1.7 Tb/s 144 faseroptische Eingänge zusätzl. 144 elektrische Eingänge Verfügbar ab August 2011 Prototyp Konzeptionelles Entwicklung begonnen 2 neue Virtex7-FPGAs Eingangsbandbreite: ~ 1.2 Tb/s Optional: neue Avago Micro o/e Wandler (6mm2/Kanal) Verfügbar ab Anfang 2012 Entwicklung des Topologischen Prozessor Herausforderung: Verarbeitung einer Ereignisrate von 40 MHz zur Selektion seltener interessanter Ereignisse und Reduktion der Datenmenge 3-Stufen-Trigger Das aktuelle System(Rot): Reduzierung der Datenrate durch Auffinden von Jets, Elektronen, Photonen und Taus Bestimmung der im Kalorimeter deponierten und fehlenden transversalen Energie-komponente Das erweiterte System(Weiß): Topologische Informationen werden in einem neuen Modul über optische Fasern(bis 10 Gb/s) zusammengeführt Topologischer Prozessor wendet verschiedene Schnitte an, um die Datenrate weiter zu reduzieren : Winkelkorrelationen Δφ,η Schnitt auf Überlapp von Objekten … Auswirkung eines Schnittes auf die Winkelkorrelation der beiden Jets mit den höchsten Transversalenergie als Funktion der Transversalenergie des zweitgrößten Jets Stufe1-Kalorimeter