Strategie di Trigger per ATLAS e CMS nel 2007 e 2008

1. Introduzione2. Trigger di primo livello 3. Trigger di livello superiore

M.Dallavalle (CMS/Bologna)A.Sidoti (ATLAS/Roma)

(Workshop ATLAS-CMS, Bologna, 23-25 Nov 2006)

1. Introduzione

1.1: Overview dei 2 rivelatori

ATLASSolenoide 2Tesla +Toroidi (barrel + 2 end-cap)

CMSSolenoide 4Tesla

Diversa struttura magnetica:

1.2: overview dell’architettura del sistema di trigger di ATLAS e di CMS

75 kHz

~ 2 kHz

~ 200 Hz

Rate

< 2s >

~ 10 ms

2.5 s

ATLAS: 3 physical levels

Livello1

Hardware

High Level

Triggers (HLT)

L2 + Event Filter

Software

100 kHz

~100 Hz

Level decision latency

Level output rateLegenda:

3.2 s

40 MHz

Diversa suddivisione delle risorse tra processori e banda di trasmissione

s 900 GeV run - Performancekb 43 43 156 156

ib (1010) 2 4 4 10

* (m) 11 11 11 11

intensity per beam 8.6 1011 1.7 1012 6.2 1012 1.6 1013

beam energy (MJ) .06 .12 .45 1.1

Luminosity (cm-2s-

1)2 1028 7.2 1028 2.6 1029 1.6 1030

event rate 1(kHz) 0.4 2.8 10.3 64

W rate 2 (per 24h) 0.5 3 11 70

Z rate 3 (per 24h) 0.05 0.3 1.1 7

1. Assuming 450GeV inelastic cross section 40 mb2. Assuming 450GeV cross section W → lν 1 nb3. Assuming 450GeV cross section Z → ll 100 pb

Several days

Reasonable Maximum

TRIGGER SET-UP:

•LV1 identifica il BX di collisione e accetta tutti gli eventi

•HLT gira selezione LV1, seleziona eventi per calibrazione fino a ~100Hz

From Mike Lamont talk at CMS week

1.3: Aspettative per il Calibration Run di LHC

Info from Mike Lamont talk at CMS week

1.4: Aspettative per il run di LHC nel 2008

• Hardware commissioning (Jan-Feb)• Machine check-out (~1 month)• BEAM 7 TeV commissioning (~2m)• PILOT Physics run (~1 month)• Steady state run (no definite info)• Winter shutdown

• Dal che: Steady state run e’ ~ 3 mesi •Ipotizzando 1032 e duty cycle di 70%, ~500pb-1

• per trarre il massimo vantaggio dal run, la calibrazione del trigger deve completarsi il piu’ possibile entro il Pilot Physics run

Sub-phase Bunches Bun. Int. beta* Luminosity Time Int lumi

First Collisions 1 x 1 4 x 1010 17 m 1.6 x 1028 12 hours 0.6 nb-1

Repeat ramp - same conditions - - - - 2 days @ 50% 1.2  nb-1

Multi-bunch at injection &through ramp - collimation

- - - - 2 days -

Physics 12 x 12 3 x 1010 17 m 1.1 x 1029 2 days @ 50% in physics 6 nb-1

Physics 43 x 43 3 x 1010 17 m 4.0 x 1029 2 days @ 50% in physics 30  nb-1

Commission squeeze – singlebeam then two beams, IR1, IR5

- - - - 2 days -

Measurements squeezed - - - - 1 day -

Physics 43 x 43 3 x 1010 10 m 7 x 1029 3 days - 6 hr t.a. - 70% eff. 75 nb-1

Commission squeeze to 2mcollimation etc.

- - - - 3 days -

Physics 43 x 43 3 x 1010 2 m 3.4 x 1030 3 days - 6 hr t.a. - 70% eff. 0.36 pb-1

Commission 156 x 156 - - - - 1 day  

Physics 156 x 156 2 x 1010 2 m 5.5 x 1030 2 days - 6 hr t.a. - 70% eff. 0.39 pb-1

Physics 156 x 156 3 x 1010 2 m 1.2 x 1031 5 days - 5 hr t.a. - 70% eff. 2.3 pb-1

          28 days total  3.1 pb-1

Pilot Physics run in 2008From Mike Lamont talk at CMS week

Condizioni di run che cambiano rapidamente

Memo: banda maxLv1 Out < 50 KHz (e x2 di sicurezza)HLT Out < 100 Hz

1033 1032

1031

108 107

106

105 104

103

102 101

100101 100

10-1

1.5: sezioni d’urto e rates a 1031-33 cm–2s–1

a 1031 cm–2s–1 e 70% duty c.

~10K W->l per 24h

a 1031 cm–2s–1 :

•LV1: riduzione ~ 1/100; Jet triggers attivi ; trigger leptonici con soglie basse

•HLT: soglie + alte; trigger correlati tra +rivelatori con soglie basse

1.6: LV1 e HLT: problematiche diverse• LHC runs di Calibrazione (2007) e Pilot Physics (2008) sono regimi diversi per il trigger:

• “run 2007”= lumi <10^30, rate <50KHz• LV1 prendi tutti BX non vuoti (zero bias) o selezione minimum bias• HLT riduzione di 1/100 da 10KHz (fisica qualche KHz) fino giu’ a ~100 Hz (con 1.5GB/evento)

•algoritmi LV1 + eventi per calibrazione • “vera” selezione HLT e’ “trasparente”

• “run 2008”= lumi 10^31• LV1 riduzione di 1/100 a 10KHz + BX ID• HLT selezioni di fisica giu’ fino a ~100Hz

• preparazione per il run 2007:• LV1 enfasi sulla SINCRONIZZAZIONE dei rivelatori, trigger di cosmici e beam gas• HLT enfasi sulla emulazione degli algoritmi di LV1 e sulle selezioni per la calibrazione dei rivelatori

2. Trigger di primo livello

2.1: Architettura del LV1 di ATLAS e CMS

In ATLAS che CMS responsabilita’ italiana nel trigger muonico

CMS

calo muon

ATLAS

calo muon

Logica Calo&Muon: “Global Trigger” in CMS, “Central Trigger” in ATLAS

Final LVL1 Event decision

Sent via TTCto FE electronics

ROI to LVL2ROI = Region of Interest

2.2: LV1 trigger menu• Identificazione del BX: ritardo noto e costante tra il segnale di trigger e il BX contenente l’evento che ne e’ all’origine, indipendente dal rivelatore che lo ha generato. Implica: Sincronizzazione assoluta con LHC, sinc. relativa tra sottorivelatori.

• input da rivelatori di muoni e calorimetri EM e HAD per segnature semplici di leptoni e jets Mu, e/gamma, jet, tau-jet

• Una segnatura difficile: missing Et richiede un buon controllo del rumore nei calorimetri

• Soglie di trigger il piu’ basse possibile in modo da riempire completamente la banda di 100KHz

…128

E S E

M P

I O

Strategie di TriggerInclusivi (in particolare per fisica di alto Pt):Coprire fisica di Modello Standard (overlap con Tevatron) e di Fisica Oltre il MS “nota” (ex MSSM) Essere aperti a “Nuova Fisica Margine per:fondi strumentali e di fisica (fondo di caverna e xsec per background di fisica non noti con precisione)Efficienza su dati reali di rivelatoriPerformances degli algoritmi di selezione su dati reali

Trigger chainsTrigger chainsPhysics MeasurmentsPhysics MeasurmentsObjectsObjects

Tau + missing ET

Jet + missing ET

Jets

muons

photons

electrons

Extended Higgs models (e.g. MSSM), SUSY

SUSY, leptoquarks

SUSY, compositeness, resonances

Higgs (SM, MSSM), new gauge bosons, extra dimensions, SUSY, W, top

Higgs (SM, MSSM), extra dimensions, SUSY

Higgs (SM, MSSM), new gauge bosons, extra dimensions, SUSY, W, top

35 + xE4535 + xE45

j70 + xE70j70 + xE70

j400, 3j165, 4j110j400, 3j165, 4j110

20i, 220i, 21010

60i, 260i, 220i20i

e25i, 2e15ie25i, 2e15i

ATLAS Level 1-Calorimeter logicLevel1 for many final states: electrons, photons, jets, taus and missing Et

Electron/photon selection:Local maximum in Et of 2x2 region-> RoiI2x1 (or 1x2) region within RoI over energy thresholdEnergy in the 12 adjacent cells < threshold: EM IsolationHad Energy in 16 cells < threshold: Had isolation and no Had development

Trigger towers x = 0.1 x 0.1RoI widths: e/g 0.2x0.2jets/taus 0.4x0.4Acceptance coverage:e/g up to ||=2.5jet up to ||=3.2Missing Et: up to ||=5

Sliding windows algorithm

2.3: trigger calorimetrico- curve di turn on

ATLAS Level 1-Calo

Turn-on curves (L1 Eff vs MC ET)

L1 E

ffici

ency

vs

Jet

MC

ET

CMS Muon Detectors• Muon stations in the iron yoke• Barrel: Drift Tubes Chambers; Resistive Plates Chambers • End-Cap: Cathode Strip Chambers; RPC

2.4: trigger muonico – curve di turn on

•2 independent trigger systems in the barrel (DT+RPC)•2 independent trigger systems in each end-cap (CSC+RPC)

LV1 Muon trigger architecture

Global muon trigger: Fondo di dimuoni fasulli da singoli muoni ridotto a <0.2%

Soglie sharp = minor contributo da mu sotto soglia mal misurati

ATLAS Level-1 Muon Trigger SystemATLAS Level-1 Muon Trigger SystemAtlas level-1 muon trigger system use: RPCRPC (Barrel subsystem) and TGCTGC (Endcap subsystem)

Momentum is defined with track Momentum is defined with track deviation from an infinite momentum deviation from an infinite momentum muonmuon(Coincidence Windows)(Coincidence Windows)

Cabling projectivity towards interaction pointBarrel(|eta|<1): Two Stations:

3 RPC planes for high-Pt2 RPC planes for low-Pt

EndCap(1<|eta|<2.4): single trigger station outside field.

Muoni in ariaSolo RPC in trigger

2.5: trigger Globale – condizioni logiche miste a LV1

Anche 32 Technical Triggers -> esempio: RBC (Bari) Trigger su cosmici nel barrel con le RPC

Similmente il “Central Trigger” di ATLAS

ATLAS Level 1-Muon: Commissioning with cosmics

Many combined runs: RPC + MDT Essential start of the trigger commissioning:

Timing Calibrations

Timing misalignment from different cable lengths and trigger algorithm processing time, corrected with a bottom-up approach, following the trigger structure

Trigger Towers ->Adjacent trigger towers->Trigger sector-> Different trigger sectors

O(25000) calibration constants to be calculated and used online

2.6: calibrazione Pre-Fascio: trigger su cosmici, test-pulser e patterns simulati -- sincronia dei rivelatori

Presa dati “reali” (lo scorso week-end con campo magnetico)

Installazione @ Point 1 di ATLAS (cf talk G. Gaudio)Settore 13 (1/8 del barrel ||<1)

Capacità di BX ID testata al Combined Test Beam (Estate 2004). Elettronica finale

PT da TriggerP

T d

a “o

ffli

ne”

ATLAS: LVL1-Muon Cosmics

25 ns

Presa dati di “cosmici” diversa da “fasci”: Diverso tempo di arrivo e nessun puntamento verso IP. Modifica degli algoritmi di trigger: piena apertura finestre di coincidenza LVL1 muon (limitata dalla connettività) -> Trigger “cablato”

CosmiciMuon da collisioni

UX15 pozzi evidenti!

Dati realiCoordinate X,Z estrapolate alla superficie

2.7: esempio 1: sincronizzazione DT muon trigger per CMS (campo magnetico)

CMS Magnet Test and Cosmics Challenge (MTCC) in Agosto e Ottobre. >200M cosmics muon triggers con diverse correnti del solenoide (0,2,3,3.5,3.8,4T)

3 fully equipped sectorsS10&11 in wheel2S10 in wheel1

Tests effettuato nell’area sperimentale in superficie

Chamber synchronization (BX ID) at trig SectColl input

MB1

MB2

MB3

WH+2 Sect10WH+1 Sect10 WH+2 Sect11

MB3theta

Only 5% of detector.

The challenge is to put 250 chambers in synch in 2007

BX number

2.8: esempio 2: sincronizzazione DT vs CSC muon trigger per CMS

.31

BTI nBTI n+1

BTIs overlap

B (TESLA) longitudinal component

B (TESLA) radial component

H-trig = 4/4 layersL-trig = 3/4 layers

.05 .1 .16 .21 .26BW.38 .56 .77 .96 1.15Bn .19

Il campo magnetico ha una componente radiale non trascurabile in YB+2

Angolo di Lorentz, tempi di deriva apparenti piu’ lunghi, ritardo nella generazione del segnale di trigger. Sincronizzazione ad-hoc nella regione di transizione tra

barile (DT) e end-cap(CSC).

DT MB1

CSC ME1r

z

MTCC: muon segments di DT utilizzati da CSC

2.9: esempio 3: sincronizzazione DT vs RPC muon trigger per CMS

RPC vs DT Synch using trigger data injected in the DAQ LV1A

LV1A

BX number

YB+1

YB+1

YB+2

YB+2

t=-15ns

t=+7ns

2.10: strategie di singolo fascio: trigger su beam-gas collisions e beam halo

• trigger con rivelatori di muoni e calorimetria adronica nelle regioni in avanti. A bassissimi raggi rivelatori ad hoc.

• Simulazioni (LHC project note 324(2003)) mostrano un rate consistente (~1KHz) di mu e adroni secondari dall’alone del fascio

•Orizzontali: interesanti per l’allineamento degli endcaps e dell’inner detector (per es. Dischi del tracker di CMS)

• interazione protone-gas nel volume sensibile del rivelatore:

•la topologia dell’evento puo’ somigliare a collisione fascio-fascio (ma grande maggioranza di tracce molto soffici)• Stima del rate molto difficile • interessanti per la sincronizzazione assoluta con LHC

CMS

Similmente in ATLAS: MBTS (Minimum-Bias Trigger Scintillators)

Minimun Bias Trigger Scintillator

MBTS montati su Lar EndCap cryostat

Geometria MBTS:16 contatori da una parte e l'altra del punto di interazione2 h-rings e 8 f-counters per ring Totalcopertura h : 2.1 <|h|<3.8Efficienza su MB event: Eff(Nhit FWD>2 && Nhit BWD>2) = 51%

<N Part>/h~7.5 OK!

2.11: Strategia per LHC Calibration run 2007

•“run 2007”= lumi <10^30, rate <50KHz• LV1 prendi tutti BX non vuoti o selezione minbias• HLT riduzione di 1/100 da 10KHz fino giu’ a 100 Hz (usando algoritmi LV1 per verificarli + eventi per calibrazione)

•Al crescere della luminosita’:• Prendi BX numero N dopo il BX0 dell’orbita (zero bias) • minima attivita’ calorimetrica (> NP torri sopra soglia a eta +, >NN torri sopra soglia a eta -); trigger su muoni con soglia a “zero pt”• gli algoritmi LV1 verificati in HLT sono attivati al LV1 con tagli soffici in Et e Pt• comunque acquisisci sempre minbias (nel caso prescalati)

• Statistica del livello 1 (cioe’ in input a HLT) diponibile per valutare gli algoritmi LV1 attraverso la loro emulazione: assumiamo da qualche giorno a

1 settimana a 10^30 con efficienza 50% = 1-3*10^35 cm-2 = 100-300 nb-1

•Trigger “tecnici” in parallelo: es: random triggers; in CMS RBC per cosmici,

BSC per beam-gas e minbias; in ATLAS MBTS

2007 run - Lv1 Muon trigger commissioning

Statistica disponibile: Con ~100 nb-1 run @ 0.9 TeV : Pt > 5 GeV0(100K) muoni da /K0(10K) muoni da b/c0(1K) muoni da J/ (solo nel 20-30% il secondo mu (piu’ soffice) e’ osservato) 80 mu da W 6 mu da Z

- sufficienti (per esempio per il barrel di CMS) per prima calibrazione (~1-3 %):• gli algorimi di identificazione (RPC vs DT) • il tracciamento a LV1 attraverso piu’ camere a mu per Pt ~ 5GeV • gli algoritmi di reiezione dei fondi• migliorare sincronia

- marginali per: Verificare la misura di Pt per Pt ~10-20 GeV e insufficienti oltre

-rate aumenta di 2 volte quando Ptmin diminuisce di 2 GeV: zero Pt cut = ~3 GeV. Anche il Ptmin ricostruibile dai rivelatori interni e’ funzione di B: runnare CMS a 2T nel 2007?

2007 Run-LVL1 Calo Commissioning

Tool importante: il campione di π0 (O(10K))

Con ~100 nb-1 run @ 0.9 TeV : Et > 10 GeV0(100) e da J/ 80 e da W 6 e da Z

Jets Test: simmetria della distribuzione in phi

• prima calibrazione solo con Pilot Physics run del 2008

2.12: strategia per Pilot Physics run 2008; LV1 trigger menu –rates in funzione delle soglie

“run 2008”= lumi 10^31• LV1 riduzione di 1/100 a 10KHz + BX ID

•Selezione di oggetti basilari (e/gamma,Jet,tau,Etmiss,mu) con algoritmi verificati in 2007 run

• HLT selezioni di fisica giu’ fino a ~100Hz• rates variano molto rapidamente con le soglie in Et calo e Pt mu. Caveat: stima dei rates da simulazioni che tendono a sottovalutare I fondi e il feedthrough da oggetti sottosoglia mal misurati

• campioni di W e Z molto importanti per calibrazioni ed allineamenti (calo, mu, tracker), jet energy scale, calibrazione di missing Et (es. W(e) and Z())

• a 1031 cm–2s–1 e 70% duty c.

~10K W->l per 24h• procedure per calibazione CALO devono essere gia’ pronte

e dare fast feedback

Trigger LVL1 Rate Hz

mu4 1000

mu15 50

em10 5400

em25 240

em25i 65

2em10 570

2em20 80

2em20i 3

2em7 study

combined signatures required (XE+J, XE+mu, J+em, ...)Prescaled triggers efficiency measurementsTriggers for calibration

ATLAS muon calibration stream starts from L2 output

Trigger LVL1 Rate Hz

j20 1750

j40 400

j60 100

J80 40

J100 15

2j90 7

XE30 500

SUMET300 1000

TAU10i 7000

LVL1 GrandTotal<20 kHzOK also for staged LVL2 farm

Esempio 1 (in studio): ATLAS LV1 trigger Menu @ 1031

Esempio 2 (in studio): CMS LV1 trigger menu @1033

Mixed triggersMu&calo

CMS Phys TDR 2006, appendix E

50KHz DAQ / 4 KHz for , 100KHz DAQ / 8 KHz for ,

W 90%Z 99%H(150) ZZ*4 98%

W 82%Z 97%H(150) ZZ*4 98%

iso-rate curves (KHz); ||<2.1

2.13: sommario: strategia trigger LV1 2007-2008

•Pre-fascio 2007•sincronizzazione relativa dei subdetectors con cosmici, test pulser, patterns simulati

•Singolo fascio 2007•Muoni da beam-halo per allineamento end-caps e tracker•Collisioni beam gas per sincronizzazione assoluta con LHC

•LHC Calibration run 2007 (Lumi <10^30)• inizialmente trigger di primo livello (LV1) su eventi minimum bias senza selezione o selezione molto soffice. •Emula gli algoritmi LV1 (calo clusters, muon tracking) nel livello superiore (HLT). Attiva gli algoritmi a LV1 con soglie (Jet Et, mu Pt) soffici al crescere della luminosita’.• Muon Trigger commissioned e prima calibrazione

•LHC Pilot Physics run 2008 (Lumi 10^31)•Selezione LV1 attiva e riduzione di >1/100• CALO Trigger commissioned con prima calibrazione

• per trarre il massimo vantaggio dal run con LHC in Steady State nel 2008, la calibrazione del trigger deve completarsi il piu’ possibile entro il Pilot Physics run del 2008