Evaluierung Institut für Hochenergiephysik Wien, 5. Feb. 2002 vorgestellt von Claudia-Elisabeth Wulz Projekt CMS-Trigger.

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1 Evaluierung Institut für Hochenergiephysik Wien, 5. Feb. 2002 vorgestellt von Claudia-Elisabeth Wulz Projekt CMS-Trigger

2 Physikalische Zielsetzungen von CMS 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

3 CMS-Detektor

4 Wirkungsquerschnitte Wirkungsquerschnitte für verschiedene Prozesse variieren über viele Größenordnungen inelastisch: 10 9 Hz W lv: 100 Hz tt: 10 Hz Higgs (100 GeV): 0,1 Hz Higgs (600 GeV): 0,01 Hz Erforderliche Selektivität 1 : 10 10 - 11 -

5 Trigger Levels 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: bis zu einigen ms Eingangsrate: bis zu 100 kHz Ausgangsrate (Datenakquisition): ca. 100 Hz Industrielle Prozessoren und Switching-Netzwerk

6 Level-1 Trigger

7 Regionaler Drift-Tube Müontrigger Track Finder Processor Pipeline-Logik (kein sequentieller Prozessor) Jede Pipeline-Stufe führt einen Prozeßschritt durch Arbeitet mit 40MHz (Strahlkreuzungsfrequenz des LHC) Implementierung mit FPGAs

8 Regionaler Drift-Tube Müontrigger Sector Receiver Unit Extrapolator Unit Linker Unit Parameter Assignment Unit TS Die lokale Triggerelektronik jeder Müonstation liefert 2 Spursegmente, die gegeben sind durch: Ortswinkel (12 bit) Ablenkwinkel b (10 bit) Segmentqualität (3 bit) Track Finder Processor sucht zu einer Müonspur gehörendende Spursegmente eliminiert Spurkandidaten mit niedrigerer Qualität weist Spuren physikalische Parameter zu (p T, Winkel) übergibt die 2 besten Spuren an die Sortierstufe (Wedge Sorter)

9

10 Track Finder (rz-Projektion) Spuren bilden vom Kollisionspunkt ausgehende gerade Linien. Eigenständiges Track Finding durch Mustervergleiche Berechnung des Wertes Matching mit den (r/ -Spuren

11 Track Finder Crate Sektorprozessor-Prototyp

12 Globaler Müontrigger Output: 8 bit, 6 bit, 5 bit p T, 1 bit charge, 3 bit quality, 1 bit MIP, 1 bit Isolation 4 DT 4 CSC 8 RPC Besten 4 von CMS zum Globalen Trigger Matching, Paarsuche Rangbestimmung Parameterkombination Selektion (Unterdrückung von Ghosts) Sortieren (Zentralbereich) Endsortierstufe Matching, Paarsuche Rangbestimmung Parameterkombination Selektion (Unterdrückung von Ghosts) Sortieren (Vorwärtsbereich)

13 Platine des globalen Müontriggers Logikdesign für FPGAs abgeschlossen, VHDL-Simulation begonnen

14 Effizienz des globalen Müontriggers gen Gute Effizienz ohne Überschreitung von Ratenvorgaben erreicht. Gesamteffizienz = 96.9 %

15 Globaler Trigger 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 Trigger Control System 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.

16 Module des globalen Triggers PSB (Pipeline Synchronising Buffer)Inputsynchronisation GTL (Global Trigger Logic) Logik FDL (Final Decision Logic) L1A-Entscheidung TIM Timing GTFE (Global Trigger Frontend) Readout

17 Prototyp eines PSB-Synchronisationsmoduls 6 Eingangskanäle, 1 Synchronisationschip für je 2 Kanäle

18 Crate des globalen Triggers

19 Konzept Besonderheit des Konzepts des globalen Triggers: Nicht konventionell, i.e. beruhend auf Zählung von Objekten, die Energie- oder Impulsschwellen überschreiten, sondern auf der Anwendung von ähnlichen Kriterien wie in der physikalischen Datenanalyse auf sortierte Objekte, die vom globalen Kalorimeter- bzw. Müontrigger bereitgestellt werden. So können zum Beispiel nicht nur Impuls- oder Energiebedingungen, sondern auch topologische Bedingungen verlangt werden. LHCC Minutes 21.-22. März: http://committees.web.cern.ch/Committees/LHCC/LHCC51.html 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.

20 Algorithmenlogik (GTL-Platine)

21 Objektbedingungen Objektbedingung für 2 gegenüber liegende isolierte Elektronen Objektbedingung für 2 gegenüber liegende isolierte Müonen mit gesetzten MIP-Bits Objektbedingungen sind: E T oder p T Schwellen, / -Fenster, Bitmuster für Isolation, Qualität, Ladung und räumliche Korrelationen (, ) zwischen Objekten. Sie werden in den Condition Chips berechnet.

22 Algorithm AND-OR

23 Beispiel eines 2-Lepton-Triggers mit gegenüber liegenden Leptonen in

24 Trigger Control System Grundlegendes Konzept erarbeitet, endgültiges Design noch im Fluß, da starke Wechselwirkung mit den anderen Subsystemen notwendig. Wichtigste Punkte des Konzepts: Zentrale Steuerung Ablauf von Physikdatennahme, Kalibration und Tests wird zentral gesteuert. Wesentliche Mitarbeit in Calibration Control Working Group. Partitionierung Teile können parallel und unabhängig voneinander sowie in Gruppen laufen. Das Auslesesystem ist eine eigene Partition. Sogar verschiedende Physiktrigger können parallel laufen. Trigger Throttle System Kontrolle über die Sequenz von Level-1-Accept-Signalen durch an Subsysteme angepaßte Triggerregeln.

25 Elektroniklayout

26 Triggersimulation und Müonrekonstruktion Simulation + Rekonstruktion: Detaillierte Detektorsimulation Präzise Simulation (auf Bit-Level) der Triggerelektronik des Level-1 Müonrekonstruktion und -selektion (High Level Trigger) Level-2: verwendet nur Müonkammern (Stand-alone Rekonstruktion) Level-3: inkludiert Trackerinformation (benützt also Müonkammern, Kalorimeter und Tracker) Aktivitäten: Berechnung von Triggerraten (Level-1, Level-2, Level-3) Effizienzstudien für interessante Signale (Higgs, SUSY, etc.) Bereitstellung von realistischen Triggertabellen für niedrige und hohe Luminositäten Kombination von Schwellen, Raten und Effizienzen

27 Inklusive Müonrate Rate bis 5 GeV/c wird dominiert durch K/ -Zerfälle, zwischen 5 und 25 GeV/c durch c- und b-Quark-Zerfälle

28 Müonimpulsauflösung im TriggerLevel-1Level-2Level-3 Auflösung in 1/p T

29 Müontriggerraten

30 Müonen im Level-3 Für eine Schwelle von 20 GeV/c: Rate hauptsächlich von (b/c) (~100 Hz) W/Z-Rate: 15 Hz für p T > 20 GeV/c Mit der Auflösung des Level-3: Rate kommt ~ von prompten Müonen

31 Supersymmetriestudien Beispiel: Massenbestimmung mit Hilfe von Dileptonspektren

32 Dileptonstruktur in mSUGRA

33 Alignmentsystem CCD-Kameras Müonkammern LED-Halterungen wurden entworfen und Prototypen hergestellt. Industrielle Fertigung von 1000 Stück erfolgte in Österreich.

34 Webseiten und Publikationen Information über Aktivitäten der CMS-Triggergruppe: http://wwwhephy.oeaw.ac.at/p3w/cms/trigger/ Veröffentlichungen in referenzierten Journalen (seit 1998): D. Denegri, W. Majerotto, L. Rurua: Determining the parameters of the Minimal SUGRA Model from 2l + Etmiss + (jets) final states at LHC, hep-ph/98, Phys. Rev. D58:095010 (1998) D. Denegri, W. Majerotto, L. Rurua: Constraining the Minimal Supergravity Model parameter tan by measuring the dilepton mass distribution at LHC, hep-ph/9901231, Phys. Rev. D60:035008 (1999) C.-E. Wulz: Concept of the First Level Global Trigger for the CMS Experiment at LHC, Nucl. Instr. Meth. A473/3 (2001) 231 A. Taurok, H. Bergauer, M. Padrta: Implementation and Synchronization of the First Level Global Trigger for the CMS Experiment at LHC, Nucl. Instr. Meth. A473/3 (2001) 243 M. Brugger, M. Fierro, C.-E. Wulz: Drift Tube Based Pseudorapidity Assignment of the Level-1 Muon Trigger for the CMS Experiment at CERN, CMS Note 2001/027 (2001), im Druck bei Nucl. Instr. Meth. A

35 Konferenzberichte, Artikel Veröffentlichte Konferenzberichte (seit 1998): C.-E. Wulz: CMS - Concept and Physics Potential, AIP Conference Proceedings 444 (1998) 467 J. Erö: New Approach for the CMS Muon Trigger Track Finder, CERN/LHCC/99-33 (1999) 309 N. Neumeister: The CMS Muon Trigger, Proc. of the 30th Int. Conf. on High Energy Physics, Osaka (2000) N. Neumeister: The CMS Experiment at the LHC - Concept and Physics Potential, Czech. J. Phys. 50, suppl. S1 (2000) 59 N. Neumeister: CMS high-level triggering, Nucl. Instr. Meth. A462 (2001) 254 C.-E. Wulz: CMS Physics Overview, im Druck in Czech. J. Phys. M. Fierro: Status of the CMS Detector, im Druck in Czech. J. Phys. N. Neumeister: e/ /, Proc. of the 2nd Int. Symp. on LHC Physics and Detectors (2002) Artikel in wissenschaftlichen Zeitungen: J. Erö: Terabytes aus LHC-Detektoren, Welt der Natur (Természet Világa), Sonderausgabe III, S. 102 (2000)

36 Konferenzorganisation Mitarbeit im Organisationskomitee der Four Seas Conference 2002 und 1995 Mitarbeit im Organisationskomitee der Sarajevo Summer School 1998 Konferenzkoordination von CMS 1998 - 2001 (CMS Conference Coordinator)

37 Dissertationen und Diplomarbeiten Dissertationen und Diplomarbeiten (seit 1998): T. Wildschek: Design and Simulation of the CMS First Level MuonTrigger Track Finder, Dissertation, TU Wien (1998) L. Rurua: Searches for SUSY and Model Parameter Determination at LHC, Dissertation, Univ. Tbilisi (1999) M. Kloimwieder: Extension of the Muon Track Finder Algorithm to 3 Dimensions for the CERN CMS Experiment, Diplomarbeit, TU Graz (1999) H. Wöhri: Slepton Searches at LHC for the large tan case within the mSUGRA framework, Diplomarbeit, TU Graz (2000) M. Brugger: Drift Tube Based Pseudorapidity Assignment of the Level-1 Muon Trigger for the CMS Experiment at CERN, Diplomarbeit, TU Graz (2001)

38 Vorlesungen, Schulungen Vorlesung (seit 1994): C.-E. Wulz: Perspektiven der experimentellen Hochenergiephysik, TU Wien Schulung: H. Rohringer: Triggering in CMS, International School - Seminar Actual Problems in Particle Physics, Gomel, Weißrußland, Proc. Vol. I (1999) 85

39 CMS-interne Publikationen CMS Notes (referenziert): 5 (1998), 2 (1999), 2 (2000), 3 (2001) Internal Notes: 1 (1998), 2 (1999), 2 (2000) Trigger Technical Design Report CMS Conference Reports: 1 (1998), 1 (1999), 2 (2001)

40 Zusammenfassung Die CMS-Triggergruppe hat die alleinige Verantwortung für den regionalen Drift-Tube Trigger, den globalen Müontrigger und den globalen Trigger, inklusive Teile des Trigger Control Systems. In der CMS-Triggerführungsstruktur stellt sie den Global Trigger Coordinator. Die CMS-Triggergruppe führt parallel zu Konzeption und Bau der Hardwareentwicklung auch die Entwicklung der entsprechenden Simulations-, Prüf- und Betriebssoftware durch. Die Koordination der gesamten Level-1-Simulationssoftware obliegt ebenfalls der Gruppe. Die CMS-Triggergruppe beteiligt sich an Physiksimulationsstudien mit dem Schwerpunkt Supersymmetrie. Zur CMS-Triggergruppe gehören zur Zeit die wissenschaftlichen Mitarbeiter J. Erö, M. Fierro, A. Jeitler (Werkvertrag), N. Neumeister, P. Porth, H. Rohringer, L. Rurua, H. Sakulin (CERN-Dissertant), A. Taurok, C.-E. Wulz und die Techniker (geteilt mit anderen Aktivitäten) H. Bergauer, Ch. Deldicque, K. Kastner und M. Padrta.