cms.vorlesung4 - Universität Hamburg
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Vorlesung 4 CMS II Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück (Peter Schleper) Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05 Vorlesung 4 CMS II Übersicht Allgemein: Gas-betriebene Spurkammern Prinzipien Von Ionisationskammern über Proportionalzähler zu GeigerZählern 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 2 Vorlesung 4 CMS II 1. Gas-betriebene Spurkammern WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 3 Vorlesung 4 CMS II Ionen/Elektronen in Feldern Drift und Diffusion Zwei Effekte: -- Diffusion der Ladungswolke Immer da durch Abstossung der Ladungen und ihre thermische Bewegung. v 8kT m Maxwell, ve=106cm/s, vion=104cm/s D 1 3 v Diffusionskoeffizient ( freie Weglänge) -- Drift der Ladungen im elektrischen Feld. Drift-Geschwindigkeit: Ionen niedrig, e- hoch WS 2004/05 Beweglichkeit (u=Geschwindigkeit): u/E Einstein: D kT Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS e 4 Vorlesung 4 CMS II Mechanismen d. Ladungserzeugung Ionisation und Anregung Anregung eines Atoms: X+p X*+p Ionisation: Resonanzprozess ~ 1017 cm-2 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 E: deponierte Energie N: Anzahl der Ionisationsprozesse. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS F: Fano-Faktor E: Fehler auf E (FWHM) 5 Ladungserzeugung als Funktion des elektrischen Feldes Vorlesung 4 CMS II Ionisationskammer: Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Proportionalkammer: Primäre Elektronen werden beschleunigt und können andere Atome ionisieren (IonisationsLawinen). 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 Zusammenbruch: Konstante Entladung Zerstörung des Detektors. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 6 Lawinen-Multiplikation Beachte: Elektronen sind sehr mobil! Vorlesung 4 CMS II 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: a 1 Wahrscheinlichkeit für Ionisation auf Einheits-Wegstrecke ( freie Weglänge) dn n a dx Elektronen auf Strecke dx erzeugt Erzeugte Elektronen auf Strecke x: n(x) = n0 exp(ax) r2 n ( x ) M exp ax exp a( x)dx n0 r 1 Multiplikator für Lawine (Gain): WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 7 Vorlesung 4 CMS II Ionisationskammer Übersicht Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Gutes “toy model” für einige theoretische Überlegungen. Lawine V 250 V Woher kommt das Signal? WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 8 Vorlesung 4 CMS II Pulsbildung Durch Drift der Ladungsträger Feld und Potential eines Drahtes: CV0 1 E (r ) 2 r CV0 r (r ) ln 2 a d ( r ) dW q dr dr Potentielle Energie einer Ladung, Änderung bei Verschiebung W q (r ) Energie des Feldes 1 W lCV02 2 Energieerhaltung dW lCV0 dV q Also Änderung des Spannung! dV Beitrag der Ionen viel grösser! q V lCV0 WS 2004/05 d ( r ) dr dr q d (r ) dr lCV0 dr d ( r ) q a r' dr ln a r ' dr 2l a a Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 9 Driftkammern Übersicht Homogenes Feld Driftgeschwindigkeit konstant! Felddrähte Anode Vorlesung 4 CMS II x v ( x) dt Elektroden zur Abschirmung Wenig Hardware-Aufwand, aber sorgfältige Wahl des Gases und gutes Design des Feldes nötig (Homogenität!) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 10 Vieldrahtproportionalkammer Vorlesung 4 CMS II 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 Ortsauflösung 0.5*Anodenabstand. Kathodenstreifen: 100 µm WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 11 Zylindrische Driftkammern Der Standard in HEP Viele Driftkammern Proportionalkammern Time Projection Chamber Jet-Kammer WS 2004/05 Vorlesung 4 CMS II Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 12 Zylindrische Driftkammern Der Standard in HEP Vorlesung 4 CMS II Tasso-Driftkammer Jade-Jet-Kammer: Mehr Bildpunkte pro radialer Spur. Transversales Feld WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 13 Zeitprojektionskammer Time Projection Chamber (TPC) Vorlesung 4 CMS II 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 14 Zeitprojektionskammer Prinzip der Ortsauflösung Vorlesung 4 CMS II Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 15 Zeitprojektionskammer Am Beispiel von Aleph Vorlesung 4 CMS II Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 16 Zeitprojektionskammer Prinzip der Auslese Vorlesung 4 CMS II Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 17 Zeitprojektionskammer Bilder von Aleph Vorlesung 4 CMS II Bla WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 18 Zeitprojektionskammer Das erste Aleph-Event-Display WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 19 Zeitprojektionskammer … und das letzte WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 20 Zeitprojektionskammer Auflösungen bei Aleph WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 21 Zeitprojektionskammer Teilchen-Identifikation mit der TPC WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 22 Microstrip Gas Chambers Die MWPC in mini – schnell und präzise Vorlesung 4 CMS II Driftfeld VerstärkerFolie Anoden WS 2004/05 Anoden Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 23 Microstrip Gas Chambers MSGC WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 24 Vorlesung 4 CMS II 2. Myon-Kammern WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 25 Vorlesung 4 CMS II Pseudo-Rapidität … Vorwärts und Zentral / Barrel =2.4 =1.3 =0.9 WS 2004/05 =0 ln tan 2 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 26 Myonkammern: Motivation ppHZZ*4 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 27 Myonkammern: Motivation ppbbtag+B0 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 28 Myonkammern: Motivation Vorlesung 4 CMS II ppZ zur Kalibration! Schwere Bosonen/Leptonen WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 29 Myonkammern Gesamtansicht aller Systeme WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 30 Myonkammern Gesamtansicht aller Systeme im Barrel WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 31 Myonkammern Vier Myon-Stationen im Barrel Vorlesung 4 CMS II Eine Station enthält drei versetzte Lagen (Superlayer) von je vier Lagen Drift-Röhren (gutes BC-Tagging ~ns!). Spurkammern Kalorimeter Solenoid Magnet-Joch Zwei Superlayer für rMessung, einer für z. Myon-Stationen Stationen 1 und 2: Je zwei RPC (innen, aussen) Stationen 3 und 4: Eine RPC innen. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 32 Myonkammern Driftkammern im Barrel Vorlesung 4 CMS II 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 33 Myonkammern Bedeutung des Magnetfelds p p x P 0.3 B L2 Vorlesung 4 CMS II 720 ( N 4) 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 34 Myonkammern – Trigger Resistive Plate Chambers: Arbeitsweise Vorlesung 4 CMS II 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! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 35 Vorlesung 4 CMS II RPC: Layout 6 Kammern im Barrel -HV -HV -HV -HV Bakelit Feld Readout der Streifen (Signal wird induziert) Das Feld wird erzeugt durch Aluminium-Folien auf der Rückseite der äußeren Bakelit-Schicht. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 36 Myonkammern Barrel-Station mit DTs und RPCs. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 37 Myonkammern Cathode Strip Chambers in den Endkappen Vorlesung 4 CMS II 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 Draht Lawine WS 2004/05 Induzierte Ladung Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 38 Myonkammern Impuls-Auflösung Vorlesung 4 CMS II Kombination mit Inner Tracker wesentlich! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 39 Vorlesung 4 CMS II Myonkammern ppZ zur Kalibration! Z: Nur µ-Kammern Z: µ-Kammern+Tracker Auflösung wenige GeV. Z’: 150 GeV WS 2004/05 Z’: 300 GeV Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 40 Myonkammern Effizienz der Driftkammern und des Triggers Vorlesung 4 CMS II 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 41 Vorlesung 4 CMS II 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 (qqW/Zµµ) -- Z-Zerfall -- top-Zerfall -- etc. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 42 Vorlesung 4 CMS II 3. Trigger WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 43 Vorlesung 4 CMS II Trigger = Zentrale Instanz des Experiments, die online über Selektion oder Verwerfung jedes einzelnen Events entscheidet. Realisierung entweder durch schnelle Elektronik oder durch Software-Algorithmen. Hauptproblem: Wie kriege ich schnell genug genügend Informationen zusammen, um auf konsistenter Grundlage entscheiden zu können? WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 44 Wirkungsquerschnitte … warum eigentlich ein Trigger? WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 4 CMS II 45 Vorlesung 4 CMS II PHYSICS AT THE LHC Comparison of SM and ‘new physics’ processes Small crosssections for ‘new physics’ processes … and small branching ratios (e.g. H). SM processes dominate. 33 -2 -1 At high luminosity … for 2•10 cm s ~23 events overlaid usually only one event Understanding of SM processes important • Backgrounds for ‘discovery physics’: Wbb, ttbb, W/Z pairs… • Calibration, energy scale: Ze+e-,+-, J/e+e-,+-, Wjj… Necessity of efficient trigger! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 46 Vorlesung 4 CMS II 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 47 ATLAS TRIGGER MENU COVERAGE Vorlesung 4 CMS II Triggering mostly with inclusive / di-leptons. Inclusive and di-lepton B physics H SUSY, leptoquarks Resonances, compositeness WS 2004/05 • 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 HZZ*/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 • specialised, more exclusive menus • 2EM15I at L1, 220i at L2. Also MSSM. • High pT jets with/without ETmiss. • High pT jets. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 48 THE ATLAS EXPERIMENT Vorlesung 4 - Length ~40 m CMS II - 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 49 THE ‘INNER DETECTOR’ Vorlesung 4 Pixel Detector: CMS II - 3 barrel layers - 2•4 end-discs - 140•106 channels - R=12m,z,R=~70m - || <2.5 Transition Radiation Tracker - 0.42•106 channels - =170m 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=16m, z,R=580m WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 50 THE CALORIMETERS Vorlesung 4 Hadronic Tile: CMS II - 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 WS 2004/05 Forward LAr: LAr Pre-Sampler Against effects of energy losses in front of calorimeters Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS - 30000 rods of 1mm - cell size 2-5cm2 (4 rods) - : <3.1, <4.9 - 1 copper, 2 tungsten 51 THE MUON SYSTEM Resistive Plate Chambers - 354000 channels - space=1cm - trigger signals in 1ns Vorlesung 4 Cathode Strip Chambers CMS II - 67000 wires - only for ||>2 in first layer - space=60m, t=7ns 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=80m, t=300ps (24-bit FADCs) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 52 Vorlesung 4 CMS II THE ATLAS TRIGGER: OVERVIEW Multi-layer structure for rate reduction: 1 GHz 100 Hz. } } } WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS L1 - Hardware-based (FPGAs and ASICs) - Coarse granularity from calo/muon - 2s latency (pipelines) L2 - ‘Regions-of-Interest’ - ‘Fast rejection’ - Spec. algorithms - Latency ~10ms EF - Full event - Best calibration - Offline algorithms - Latency ~seconds 53 Vorlesung 4 CMS II THE LEVEL1-TRIGGER Selection based on high-pT objects from calo and muon. Candidates for electrons/photons, taus/hadrons,jets above pT thresholds. Muon candidates above pT thresholds Energy sums above thresholds Multiplicities Event decision for L1 RegionsofInterest Interface to higher trigger levels/DAQ: objects with pT,, Interface to front-end WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 54 THE CALORIMETER TRIGGER II Vorlesung 4 CMS 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 55 Vorlesung 4 CMS II THE MUON TRIGGER pT information from hit coincidences in successive detector layers. precision chambers trigger chambers Trigger chambers: • 3 RPC stations for ||<1.05 • 3 TGC stations for 1.05<||<2.4. • 2 , layers per station (TGC 2/3) Procedure: • Put predefined ‘roads’ through all stations (width in ~ pT). • If hit coincidences in 2(3) stations muon candidate for pT threshold corresponding to ‘road’. ATLAS quadrant in rz view WS 2004/05 • ‘Roads’ can be defined for 6 different pT thresholds (for which multiplicity counts are delivered to the CTP). • BCID=1.5 ns. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 56 THE CENTRAL TRIGGER PROCESSOR Vorlesung 4 CMS II Combines calorimeter and muon information to L1 decision. Input bits: existing prototype final design 1 9U VME module multiplicities ~7 different modules Lookup tables: ‘conditions’ Interfaces to detectors,LHC Programmable devices: ‘items’ One big FPGA Dead time etc. Combination of ‘items’ To Level2 WS 2004/05 Number of items? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 57 Vorlesung 4 CMS II 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 components; just starting ‘slices’, configuration problem!) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 58 THE L1 DECISION Derived in the ‘Central Trigger Processor’ (CTP). Vorlesung 4 CMS II 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 59 L1 CONFIGURATION Vorlesung 4 CMS II 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> Structure of L1 decision </TriggerItem> configures CTP. </TriggerMenu> Def. of objects for which calo and muon deliver multiplicity counts: thresholds <TriggerThreshold name=“MU6” value=“6” bitstart=“3” bitlength=“3” etamin=“-5” …. /> Description of hardware Prevent from configuring logical structure that exceeds CTP’s abilities (number of inputs etc.). WS 2004/05 <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. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 60 THE HIGH-LEVEL TRIGGER (HLT) Vorlesung 4 CMS II Good example for solid software process. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 61 Vorlesung 4 CMS II HLT: DESIGN OVERVIEW HIGH-LEVEL TRIGGER (HLT) Level1 (L1) ~102 kHz LEVEL 2 (LVL2) ~1 kHz High-Level Trigger: Design EventEventFilter (EF) Filter Selection Classification ~102 Hz Offline Hardware Implementation Read-Out Subsystem Modules Simplified subsystem view WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 62 Vorlesung 4 CMS II HLT: SELECTION SOFTWARE Running in Level2 Processing Units (L2PU)+EF. Package EventFilter Set-up by HLT configuration HLTSSW Interface Dependency Processing Task PESA Core Software 1..* Level2 Steering Monitoring Service PESA Algorithms LVL2PU Application HLTAlgorithms DataManager 1..* ROBDataCollector MetaData Service EventDataModel <<import>> Athena/Gaudi <<import>> <<import>> <<import>> StoreGate Offline EventDataModel Offline Reconstruction Algorithms Offline Architecture & Core Software WS 2004/05 Offline Reconstruction Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 63 HLT: SELECTION PRINCIPLES Vorlesung 4 CMS II PESA = ‘Physics- and Event Selection Architecture’ ‘Regions-ofInterest’ (RoI) Step-wise process and ‘Fast rejection’ ¶ 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). ¶ 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 offline reconstruction algorithms ¶ Use of common software architecture + algorithms understanding of trigger rates/efficiencies. ¶ Use of common ‘event data model’ (should be trivial ;-) ). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 64 Vorlesung 4 CMS II HLT DECISION (LEVEL2 AND EF) Overview of step-wise procedure with ‘dummy’ example Ze+e‘Physics Signature’: Ze+e- with pT>30 GeV decision part algorithmic part ‘Intermediate Signature’ ‘Intermediate Signature’ ‘Intermediate Signature’ L1 result: 2 EM clusters with pT>20 GeV After every step: test + possibly rejection. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 65 Vorlesung 4 CMS II LEVEL1 SELECTION: PLANNING Rates in kHz; thresholds define 95% efficiencies. Selection 2·1033 cm-2s- 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 0.2 3J90 (130) 0.2 0.2 4J65 (90) 0.2 0.2 J60+xE60 (100) 0.4 0.5 TAU25+xE30 2.0 1.0 MU10+EM15i --- 0.4 others 5.0 5.0 total ~ 44 (25?) ~ 40 1 No safety factors included (LO MonteCarlos etc.). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Muon triggers contribute to (di)lepton signatures. Electron/photon triggers strong; large backgrounds. Low rate for jet triggers; difficult to control backgrounds New studies assume much reduced rate (~kHz). 66 Vorlesung 4 CMS II Literatur … und weiterführende Informationen K. Kleinknecht, W.H. Leo, Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner. 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 67 THE CALORIMETER TRIGGER I Vorlesung 4 CMS II 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 68 THE MUON-TO-CTP INTERFACE Vorlesung 4 CMS II 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 69 L1 CONFIGURATION Vorlesung 4 CMS II <TriggerMenu> “Parsing” <TriggerItem> <AND> <TriggerCondition threshold=“MU6” multiplicity=“2” /> <TriggerCondition threshold=“JT90” multiplicity=“1” /> </AND> </TriggerItem> </TriggerMenu> Definitions of trigger menu Logical tree structure of XML tags Implementation in C++ classes WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 70 Vorlesung 4 CMS II PROBLEM: HARDWARE CONFIGURATION Idea: Run simulation against L1 hardware Problem Tests of hardware and software systems. Needs common input data. Needs unified configuration for simulation software and hardware. Have to generate lookup table files VHDL code for FPGAs. Have to be generated ‘on the fly’, from running configuration code. TBV[0] = MIO[0] & MIO[1] & !MIO[2] & maskff[0] & !LOCADT[0] & !GLOBDT1[0] & !GLOBDT2[0] & !VETO Status WS 2004/05 First lookup table files successfully loaded. First (simple) VHDL code written. Translating and loading dangerous (damaging FPGA). Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 71 TRÍGGER STUDIES Vorlesung 4 CMS II 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 72 HLT SELECTION: PLANNING Vorlesung 4 CMS II 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, 220i 60i, 220i ~40 Muon 20, 210 20, 210 ~40 Jets j400, 3j165, 4j110 j590, 3j260, 4j150 ~25 jet+Etmiss j70+xE70 j100+xE100 ~20 tau+Etmiss 35+xE45 60+xE60 ~5 B physics 26 with mB/mJ/ 26 with mB ~20 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 73 threshold Vorlesung ~30 GeV 4 L1 e/ TRIGGER CMS II 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 Threshold [ET in GeV] Rate [kHz] 1 e/ 17 / 26 11 / 21.5 2 e/ 12 / 15 1.4 / 5.2 Selection Total rate WS 2004/05 e/ pair trigger rate for high lumi with /without isolation. 13 / 27 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 74 Vorlesung 4 CMS II 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 WS 2004/05 L1 tau/hadron efficiency as function of tau pT. 1-2 kHz Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 75 Vorlesung 4 CMS II 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 180 GeV Njet=4 55 GeV Type Low lumi High lumi 1 jet ET>180Ge V ET>290Ge V 3 jets ET>75GeV ET>130Ge V 4 jets ET>55GeV ET>90GeV Njet=1 Performance depends on - window for ET determination, - jet element thresholds, - declustering procedure. WS 2004/05 Efficiency to flag a jet RoI at high lumi. How low can you go? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 76 L1 MUON TRIGGER PERFORMANCE Vorlesung 4 CMS II 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 Muon trigger rates overview [kHz] WS 2004/05 Fake rates from background particles about 10Hz/cm2? New muon studies assume less rate. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 77 HLT: CALORIMETER TRIGGERS Vorlesung 4 CMS II • 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 Variables: (0.05•0.025): 2-12X0 - 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 WS 2004/05 First sampling with finer cell granularity for 0 rejection (0.003•0.1): 6X0 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Second sampling (0.025•0.025): 24X0 78 Vorlesung 4 CMS II HLT TRIGGER: 40(60)i, 220i 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 WS 2004/05 Single photon efficiency > 90% (diphoton triggers >80%; f(ET)). 100 (600) Hz on L2 for triggers. Jet rejection of ~3000. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 79 Vorlesung 4 CMS II 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). Service crack between barrel and endcap Crack between barrel halves WS 2004/05 Electron triggers: rate of 100 (600) Hz after L2 selection. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 80 Vorlesung 4 CMS II 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. L1 TT cut 1 GeV Type L1 [kHz] L2 [kHz] J180 0.2 0.12 3J75 0.2 0.08 4J50 0.2 0.04 WS 2004/05 L2/L1 reduction for low lumi at 90(95)% L2(L1) 1-jet efficiency (2 at 80 GeV). Algorithms? Cell noise cut? Threshold definition? Window size? L2 jet efficiency for 50,100,150 GeV as function of threshold (cone, threshold from trigger jet). Rates for =95(90)% L1(L2). Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 81 HLT MUON TRIGGER: 20, 210 • 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%. Vorlesung 4 CMS II --- 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)). L2 trigger algorithm efficiency in barrel for two thresholds. WS 2004/05 200(300) Hz L2 trigger rate for signatures (without B triggers with exclusive requirements on masses). Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS 82
