Fisica pp a LHCA Colaleo

• Introduzione alla fisica dei collisionatori

A. Colaleo

adronici

•Detector•Detector

•Trigger and DAQ

• Test Standard Model - Test of QCD: Jet, W/Z, top-quark production- W- and top-quark mass measurements

• Ricerca del Bosone di Higgs

• Ricerca di “nuova fisica”

Sezione d’urto pp e min. bias

• # di interazioni /bunch crossing:– Interazioni/s:

• Lum = 1034 cm–2s–1=107mb–1Hz

σ(pp)≈70 mb

Lum = 10 cm s =10 mb Hzσ(pp) = 70 mb

• Rate di interazione, R = 7x108 Hz– Eventi/bunch crossing:

Δt = 25 ns = 2.5x10–8 s• Interazioni/crossing=17.5g

– Non tutti i bunches sono “pieni”• 2835 out of 3564 only

Interazioni/”active” crossing = 17 5 x 3564/2835 = 23• Interazioni/”active” crossing = 17.5 x 3564/2835 = 23

Un “buon" evento contiene un decadimento di scoperta +p≈ 25 extra (minimum bias)

•• ObiettivoObiettivo limitarelimitare la la quantitaquantita’ ’ didi datidati allaalla frazionefrazioneinteressanteinteressante

event size: 1-2 Mbytes.

Beam crossings: LEP, Tevatron & LHC

• LHC ha ~3600 bunches– Stessa lunghezza di LEP (27 km)– Distanza fra bunches: 27km/3600=7 5mDistanza fra bunches: 27km/3600=7.5m– Distanza tra bunches in tempo: 7.5m/c=25ns

LEP: e+e- Crossing rate 30 kHz

22µsTevatron Run I

3.5µs

– Tevatron Run I

Tevatron Run II

396ns

–Tevatron Run II

25ns

LHC: pp Crossing rate 40 MHz

Impatto sul disegno del rivelatore

• Risposta veloce– Evitare di integrare su piu’ bunch crossing (“pile up”– Risposta in : 20-50 nsRisposta in : 20-50 ns

→integrazione su 1-2 bunch crossings → pile-up di 25-50 eventi minimum bias elettronica molto performante.G l it ’• Granularita’

– Minimizzare che particelle di pile-up siano nello stesso elemento di rivelatore degli oggetti interessanti (e.g. γ from H → γγ decays)

→ Grande numero di canali di elettronica• Resistenza alla radiazione:

– Alto flusso da collisioni ppAlto flusso da collisioni pp • Fino a 1017 n/cm2 in 10 anni di LHC operation• Fino a 107 Gy (1 Gy = unita’ di energia assorbita = 1 Joule/Kg)

Trigger/DAQ requirements/challenges

• N (channels) ~ O(107); ≈20 interazioni ogni 25 ns– Gran numero di connessioni

• Informazioni calorimetriche dovrebbero essere collegate a informazioniInformazioni calorimetriche dovrebbero essere collegate a informazioni dal tracker– Sincronizzazione fra I vari sottorivelatori < 25 ns

I l i i l d l i l t /t di l > 25• In alcuni casi: segnale dal rivelatore/tempo di volo > 25 ns– Piu’ bunch crossing ...

• Possiamo registrare fino a ≈ 102 Hz– Rigettare la maggior parte delle informazioni

• Trigger e’ online non reversibile – non si possono recuperare informazioni perseinformazioni perse

Tempo di volo

c=30cm/ns; in 25ns, s=7.5m

10 m

Diameter 25 mDiameter 25 mBarrel toroid length 26 mEnd-cap end-wall chamber span 46 m

Pile-up e identificazione del bunch crossingpile-up “in time”: particella dello stesso bunch crossing ma da differentipile-up in time : particella dello stesso bunch crossing ma da differenti

interazioni pp

CMS ECAL•Out-of-time pile up: causato da eventi da bx differenti

Necessaria l’identificazione del bx

In+Out of time

puls

e sh

ape

In-time pulse se

sha

pe

In+Out-of-time pulses+

5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

ppu

l

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

t (25ns units)-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

t (25ns units)

Concetti base

Ruolo del sistema di Trigger e di Acquisizione dati e’ quello di processare I segnali generati dal detector e scrivere le informazioni su sistema di

Trigger and DAQ

storage.

DataAcquisition

SystemAnalogsignals

Trigger and DAQ

System

TriggerSystem

signals

decisionsraw data

Systemdesignfeedback Mass Storage

Detector &Trigger

SimulationRecons-truction &truction &Analysis

Physics ResultsDAQ = Data AcQuisition

Il sistema interagisce con altre componenti esterne

Accelerator

DatabaseAcceleratorstatus

Detectorstatus

Detectors

Trigger

Detector, readout descrip. constants

Raw signals

gg& DAQSystem

EventInformation

Data Storedata

Settings

Status

Conditions

Experimenter

Experiment

Settings

pControl

DAQ semplice

External View

sensor

Physical ViewADC Cardsensor CPU

disk

Logical View

ADC storage

Logical ViewProces-

sing

12

Trigger (periodic)

Semplice DAQ con trigger:I

Sensor

Trigger

Delay Discriminator

St tADC Start

Proces-sing

Interrupt

• Cosa succede se il trigger e’ prodotto mentre il daq e’ busy?

13

storagementre il daq e busy?

Semplice DAQ con trigger:II

Sensor

Trigger

Delay Discriminator

B L iADC Start

and not

Busy Logic

Proces-sing

InterruptSet

QClear

R dg

Ready

• Deadtime (%) – rapporto fra il tempo in cui il

14

storageDeadtime (%) rapporto fra il tempo in cui il daq e’ busy e il tempo totale

Semplice DAQ con trigger: IIISensor

Discriminator

Trigger

Confronto con LHC:

ADC

DelayDiscriminator

Start Busy Logicand

interazioni valide potrevvero essere perse se il sistema e’ busy

FIFOFull

D t R dProces-

sing

DataReady

g

storage

z Buffers: De-randomize data -> disaccoppiare la produzione dei dati dalla consumazione dei dati-> prestazioni migliori

15

storage > prestazioni migliori

Buffer derandomizzatoSensor

Discriminator

Trigger

Sensor

D lDiscriminator

Trigger

ADC

Delay

Interrupt

Discriminator

Start

and not

Busy Logic ADC

Delay

Start Busy Logic

FIFOFull

and

Proces-sing

InterruptSet

QClear

Ready

storage

Proces-sing

DataReady

z busy durantez busy durante

conversione ADC se storage storage

z busy durante conversion ADC + processing

la FIFO non pienaut

rat

e

No deadtime

Out

pu

No deadtime

1%/Hz

5%/Hz

16

Input rate

DAQ piu’ complesso

N channels N channels N channels

ADCADC ADC Trigger

Proces-Proces- Proces- Piu’ processi in parallelo

singsing singparallelo

Event

Proces

Building

Proces-sing

17

storage

Semplice DAQ con trigger nei collider

Sensor Timing

Start

BXBeam crossing

ADCTrigger

Sta t

Abort

Discriminator

B L iFIFO Full

Proces-

Busy LogicFIFO

DataReady

Full

Processing

z Sappiamo quando ci sono le collisioni quindi

18

storage il trigger serve per rigettare I dati

LEP collider timing

e+e– Crossing rate 45 kHz (4 bunches)

22μs45 kHz

L l 1

Level 2

6 μsLevel 1

100 Hz

8

30 μs

10 Hz Readout

100 ms

8 ms

Level38 Hz

• Level 1 trigger latency < intervallo fra bunch crossings −> Non c’e’ tempo morto

19

• No c’e’ sovrapposizione di eventi• Elettronica fuori dal rivelatore

LEP DAQ-TRIGGER

A/D Triggerl l

45 kHzDigitizers A/D level 1

Triggerlevel 2

100 Hz

Digitizers

Zero SuppressionZero SuppressionFormatting

Event Building 10 Hzg

Triggerl l 3

Bufferslevel 3

8 Hz

20

Semplice DAQ con trigger a LHC

Sensor TimingBXBeam crossing

Pipelined

Clock

g

AnalogPi li pe ed

TriggerAccept/Reject

Pipeline

ADCBusy Logic

FIFO Full

Proces-

FIFO

DataReady

Full

sing z Front-end Pipelines: tempi decisione di trigger + ritardi di trasmissione sono piu’ lunghi del bunch

i

21

storage crossing

LHC timing

p p a 40 MHz (L=1033- 4⋅1034cm-2 s-1)

25 ns

Level 140 MHz

≈ μs

Level 1

Level 2100 kHz

≈ ms

Level 2

Level n1 kHz

Level n

z Level 1 trigger time eccede l’intervallo fra i bunchz Level 1 trigger time eccede l intervallo fra i bunchz Eventi si sovrappongono e signal pileupz Very high number of channels

22

LHC DAQ+TRIGGER

Triggerl l 1

40 MHzPipelines level 1

100 kHz

Pipelines

Zero SuppressionFormatting

Triggerlevel 2

Formatting

Buffers

Event Building

TriggerBuffers

1 kHz

Triggerlevel 3

Buffers

100 Hz

23

DAQ + Trigger a LHC

Rate40 MHz

100 KHz100 KHz

1000 Hz~ Gbytes/sy

100 HzMb t /

24

~ Mbytes/s

Differenze LEP -LHC

LEP LHC

A/D Triggerlevel 1

Triggerlevel 2

Triggerlevel 1

Trigger

Triggerlevel 2

T ilevel 3 Triggerlevel 3

z Rate differentiz A LEP la lettura e’ fatta dopo Level-2 accept (few 10 μs).z A LEP I dati di trigger per il Level-2 sono forniti dal rivelatore z A LHC necessaria la pipeline e buffers per registrare gli eventi

durante il processing a level-1e Level-2

25

durante il processing a level 1e Level 2

LHC: differenti implementazioni

• Level-1 trigger deve ridurre la frequenza da 40 MHz a 105 Hz• Obiettivo 102 Hz

i 1 2 Li lli tin 1 o 2 Livelli extra

DetectorsDetectors

Front end pipelinesLvl-1Lvl-1 Front end pipelines

Readout buffers

Switching network

Lvl-2 Readout buffers

Switching network

Processor farms

Switching network

HLTLvl-3 Processor farms

Switching network

“Traditional”: 3 physical levels CMS: 2 physical levels

Come selezionare eventi interessanti

Trigger : piu’ difficile che a macchine e+e-

Rate di interazione: ~ 109 HZRate di interazione: 10 HZRate di registrazione ~ 102 Hz (event size 1 MB)

⇒ trigger rejection 107 ⇒ trigger rejection ~ 107

Trigger decision ≈ μs → piu’ grande di 25 nsgg μ p g

Registrazione dei dati in pipelinesMentre processori fanno la selezione

detector savePIPELINEYES

triggerdetector

trash

PIPELINENO

109 evts/s 102 evts/s

Disegno del sistema– Rigettare eventi fisici non interessanti

Criteria:– Criteria:• Buona efficienza di selezione dei canali interessant ≥ 50%• Buona efficienza di reiezione dei canali non interessanti ≈106

• Monitoring dell’efficienza ±0.1%

N l di d l i t l i l i ’ f d t lNel disegno del sistema la simulazione e’ fondamentale

P i tt il f d d t l i l t ll’ l t– Per rigettare il fondo dovuto al rivelatore e all’acceleratore• La simulazione deve includere il rumore del rivelatore• La simulazione deve includere il fondo proveniente da LHCp

28

Requisiti del sistema• Ridondanza

– Ogni evento deve fornire segnale almeno in 2 sistemi indipendenti(sub-trigger)

Il triggere globale e’ l’OR logico di tutti I sub-trigger.• Simulazione per valutare quanto il sistema sia ridondante• Utilizzare I dati per valutare l’efficienza• Utilizzare I dati per valutare l efficienza

• Es: efficienza di trigger su elettroni

. ..N

A BA..

A BA = tracking-muonB = Calorimeter

ε =)( BAN ∩

. . ...εA =

)(BN

Per alcune topologie potrebbe non esserci un’unica soluzione e alcune soluzioni potrebbero essere correlate (bias). Compromesso fra selectivita’ (alta capacita’ di riduzione della rate di dati) e rischio di bias Studio con la simulazione a Monte Carlo

29

riduzione della rate di dati) e rischio di bias. Studio con la simulazione a Monte Carlo

Livelli di Trigger

• I dati dai rivelatori non sono disponibili in tempo e le funzioni di selezione sono complesse, quindi sono tt t i i i iottenute con approsimazioni successive

• E’ necessario optimizzare la quantita’ di dati necessari e il tempo necessario per prendere unanecessari e il tempo necessario per prendere una decisione.

• Livelli di trigger• Livelli di trigger– Hardware : Fast trigger which usa dati dai alcuni rivelatori

con un tempo limitato di decisione implementato in maniera hardware.⇒ Level-1 talvolta anche Level-2 (LEP)

– Software : Diversi livelli di trigger che raffinano la decione aSoftware : Diversi livelli di trigger che raffinano la decione a livello-1 utilizzando dati e algoritmi

Implementati in processori che girano I programmi di selezione L l 2 L l 3 L l 4

30

⇒ Level-2, Level-3, Level-4, ...

Central Decision Logic

• Look Up Tables– Usa N informazioni Booleane per fornire una semplice risposta:p p pYES / NO– RAM di 2N bits– Esempio: N=3

RAMEM μ TR z Trigger su:RAMEM μ TR

0 0 00 0 1ss

No track, no EMTrack, no μ

z Trigger su:y “Single Photons”è 0,0,0,0,1,0,0,0

0 1 00 1 11 0 0

M A

ddre

s

μ, track inefficientμ, trackEM, no track

è 0,0,0,0, ,0,0,0y “Almeno un μ”è 0,0,1,1,0,0,1,1

1 0 11 1 01 1 1

RA

M EM, track, no μEM, μ, track ineffic.EM, μ, track

31

1 1 1 EM, μ, track

Obiettivi del sistema di trigger a LHC• A LHC vogliamo selezionare eventi con:• A LHC vogliamo selezionare eventi con:

(1) Leptoni e fotoni isolati,(2) jets(2) τ-, -jets(3) Eventi con grande ET(4) Events con missing ET

S i i d’ QCD i di• Sezioni d’urto QCD-σ sono piu’ grandi sezioni d’urto d’interesse

Rate di eventi: Inelastic: 109 Hz; (2) W→lν : 100 Hz t-tbar:10Hz (4) H(100 Gev): 0.1 Hz H(500 GeV): 0.01 Hz

• Gli eventi QCD events devono essere rigettatisubito

⇒ Necessaria una capacita’ di selezione⇒ Necessaria una capacita di selezionea livello di 1:1011 .

Tau Workshop, Pisa, 8.6.07

Algoritmi di trigger a Level-1

Condizioni:– pp collisions producono adroni di PT~1 GeV– Fisica interessante ha particelle (leptoni e hadroni) con grande p ( p ) g

impulso trasverso:• W→eν: M(W)=80 GeV/c2; PT(e) ~ 30-40 GeV• H(120 GeV)→γγ: PT(γ) ~ 50-60 GeV( ) γγ T(γ)

• Requisito base:– Soglie alte sui segnali

• Implica la capacita’ di distinguere fra particelle (electrons,Implica la capacita di distinguere fra particelle (electrons, muoni e “jets” etc)

– Soglie tipiche:• Single muon con PT>20 GeV (rate ~ 10 kHz)Single muon con PT 20 GeV (rate 10 kHz)

– Dimuoni con PT>6 (rate ~ 1 kHz)• Single e/γ con PT>30 GeV (rate ~ 10-20 kHz)

– Dielectrons con PT>20 GeV (rate ~ 5 kHz)Dielectrons con PT>20 GeV (rate 5 kHz)• Single jet con PT>300 GeV (rate ~ 0.2-0.4 kHz)

Implementazione a LHCON li

LEVEL-1 TriggerHardwired processors (ASIC, FPGA)

Pipelined massive parallel

ON-line OFF-line

HIGH LEVEL TriggersFarms ofprocessors

Reconstruction&ANALYSISTIER0/1/2

Centers

25ns 3µs hour yearms sec10-9 10-6 10-3 10-0 103

25ns 3µs hour yearms sec

Giga Tera Petabit

Tre livelli

• Livello aggiuntivo LV2 per ridurre la bandwidth• Processori specializzati

108

QEDLEVEL-1 Trigger 40 MHz Hardwired processors (ASIC, FPGA) MASSIVE PARALLEL Pipelined Logic Systems

Rate (Hz)Detector Frontend

Event

Level-1

Level-2ReadoutSwitch

106

10

1

SECOND LEVEL TRIGGERS 10 kHz SPECIALIZED processors (f t t ti d l b l lC ti i

EventManager

Farms

Builder Network

Switch

102

104

W,Z

Top

- 1 µs- 0.1 - 1 sec

- 1 ms

(feature extraction and global log

LV 1

Computing services

40 MHz

10-2

100Z*

Higgs

ms

RoI

LV-1

LV-2

µs

103 Hz105 Hz

10

10-8 10-6 10-4 10-2 100

25 ns - µs ms sec

HIGH LEVEL TRIGGERS 1kHz Standard processor FARMs

10-4

LV-3

ms 10 Gb/s

102 H 10 10 10 10 10Available processing timesec 102 Hz

Due livelli

108

QEDLEVEL-1 Trigger 40 MHz Hardwired processors (ASIC, FPGA) MASSIVE PARALLEL Pipelined Logic Systems

Rate (Hz)Detector Frontend

Readout Systems

Level 1 Trigger

106

108

- 1 µs

- 0.01 - 1 sec

Computing Services

Filter Systems

Event Manager Builder Networks Run

Control

102

104

W,Z

TopZ*

µ

LV-1

Computing Services

40 MHz105 Hz

10-2

100Z

Higgs

HIGH LEVEL TRIGGERS 100 kHz St d d FARM

µs 105 Hz

1000 Gb/s

10-8 10-6 10-4 10-2 100

25 ns - µs ms sec

Available processing time

Standard processor FARMs10-4

HLT

ms .. s 102 Hz

-Il secondo livello si basa su componenti commerciali (especially processing and communications)

Trigger/DAQ a LHC

No.Levels Level-1 Event Readout Filter OutTrigger Rate (Hz) Size (Byte) Bandw.(GB/s) MB/s (Event/s)

ATLAS

3 105 106 10 100 (102)LV-2 103

CMS

2 105 106 100 100 (102)

LHCb

3 LV-0 106 2x105 4 40 (2x102)LV-1 4 104

4 Pp-Pp 500 5x107 5 1250 (102)p p 103 2x106 200 (102)

ALICE

p-p 10 2x10 200 (102)

Trigger/DAQ: confronto passato-presente-futuro

Specifiche del trigger a LHC

Selezione di fisica a LHC: LIVELLO 1

LEVEL-1 TriggerHardwired processors (ASIC, FPGA)

Pipelined massive parallel

ON-line OFF-line

Pipelined massive parallel

HIGH LEVEL TriggersFarms of

L l 1 T i

Farms ofprocessors

Lvl-1 Trigger Reconstruction&ANALYSISTIER0/1/2

Centers

25ns 3µs hour yearms sec10-9 10-6 10-3 10-0 103

Giga Tera Petabit

Architettura di trigger in Atlas e CMS

• Event Size 1-2 Mbytes: PC Farm girano software di ricostruzionee event filter simile all’analisi offline

Architettura di trigger e DAQ in Atlas e CMS

Collocazione del sistema di LV1 trigger (es. CMS)

• Underground Counting Room

Central rows of racks–Central rows of racks fortriggerConnections via high

7m thickshielding

ll–Connections via high-speed copper links to adjacent rows of ECAL & HCAL readout racks

wall

& HCAL readout racks with trigger primitive circuitryConnections via optical–Connections via opticalfiber to muon trigger primitive generatorson the detector

USC55on the detector

–Optical fibersconnected via“tunnels” to detector Rows of Racks containing tunnels to detector(~90m fiber lengths ) trigger & readout

electronics

Level-1 Trigger: loop Sincrono: 40 MHz

Gl b l T i 1Local level-1 trigger

Sincrono: 40 MHzTipicamente: 160 MHz frequenza della

pipelineL t i Global Trigger 1

ggPrimitive e, γ, jets, µ

≈ 2-3 µs latency

Latencies:Readout + processing: < 1μsSignal collection & distribution: ≈ 2μs

latency loop

Solo 15x25 ns = 375 ns a disposizione per tutti I sotto-rivelatori che partecipano

Front-End Digitizer

Pipeline delay ( ≈ 3 µs)

TriggerPrimitive

Generator

p p palla decisione di trigger. Jets richiedono: 24x25 nsec = 600 nsec;

Accept/Reject LV-1z Difficile la sincronizzazione all’uscita dalla pipiline Timing e trigger z Difficile la sincronizzazione all uscita dalla pipiline

⇒ Timing calibrationsono distribuiti aifront-end dalTTC system

Distribuzione del Clock e sincronizzazione

• Trigger, Timing & Control (TTC);

Global Trigger 1 Local level-1 Primitive e g jets µ L lPrimitive e, g, jets, µ

TTCControls

LocalLevel 1

ControlsGlobal Level 1

Timing&Control Di t ib ti

Local T&C

RF

Total latency - 128 BX

Clock

Controls

Level 1

TTC RX

Distribution T&C

Layout delays

ReadoutProgrammable delays (in BX units)

Clock phase adjstment

Trigger / DAQ architecture

• Level-1 usa solo muon & calo– Dati dal tracker troppo complessi

• Pipeline – Impossibile fornire la decisione di

trigger in 25ns– Tutti I dati registrati nell’elettronica del

detector per un tempo fisso (LV1 latency) e letti solo a L1Accept

l 3 2 (di i 2 d i– max latency 3.2μs (di cui 2μs dovuto ai cavi)

• Output of Level-1– Single bit: accept / reject– Al segnale di L1Accept, data vengono

inviati attraverso gli switch di event builder a livelli di trigger piu’ altibuilder a livelli di trigger piu alti

A Level-1:solo calorimetri e informazioni da camere a muon

Tracker piu’ complicato• Calorimetri e camere a muoni riconoscimento delle tracce piu’ facile e velocefacile e veloce

Electromagnetic Hadron

• algoritmi complicati

• Grande• Grande quantita’ di dati

• Algoritmi semplici

• Piccola quantita’ di dati

L l d i i• Local decisions

Ha bisogno di confronto con altri rivelatori

Trigger di livello 1 in ATLAS

Trigger di livello 1 in CMS

CMS Trigger e Latency

L1 Trigger:

• Elettronica sul rivelatore e fuori • Diverse tecnologie (rivelatori differenti):differenti):• calorimetri e sistema di muon (no Si-Tracker)

50• Total Latency = 128 Bx or 3.2 μsec

Obiettivi del Trigger calorimetrico

• Selezionare i 4 fotoni e elettroni piu’ energetici isolati• Selezionare I 4 fotoni e elettroni piu’ energetici non isolati• Jet Triggers: Trovare jet e tau • Jet Counters: Contare il numero di Jets. • Electron/γ triggers: Selezionare canditati e/γγ gg γ• Fornire l’energia totale trasversa, e mancante

e l’energia trasversa dei Jet.g

CMS Geometria del trigger calorimetrico4176 torri, correspondenti a 2448, 1584 a 144 torri nel barrel, end-cap e forward , p , , p

EB, EE, HB, HE map to 18 RCT crates

Provide e/γ and jet,

2 HF calorimeters map on to 18 RCT crates

Provide e/γ and jet, τ, ET triggers

1 trigger tower (.087η x .087φ) = 5 x 5 ECAL xtals = 1 HCAL tower

CMS L1 Trigger Calorimetrico

Dati registrati in Front End Pipelines

RCTFront End Pipelines.Decisione di trigger fornita da Trigger Primitives

ti l d t tgenerati sul detectorTrigger regionale cerca Isolated e/γ e μ e TPG

GCTFE

γ μcalcola energia trasversa

mancante.

TPGFE

• FE: Front End

128x25ns=3.2 µseclater i.e. 128 bunch-crossings latency

GTP

• P: Pipeline, TPG: Trig. Prim. Generat.• RCT: Regional Calorimeter Trigger• GCT: Global Calorimeter Trigger Y/N

53

gg• GT: Global Trigger

Y/N

L1T Algorithms: e/γRCT trova e/e/γγGCT seleziona 4 canditati

migliorimiglioriGT

A GT e/e/γγ = Input a l ith L1Aalgorithms per L1A

Electron (Hit Tower + Max)–2-tower ΣET + Hit tower H/E–Hit tower 2x5-crystal strips >90% ET in 5x5 (Fine Grain)

Isolated Electron (3x3 Tower)Quiet neighbors: all towers pass Fine Grain & H/E

54

–Quiet neighbors: all towers pass Fine Grain & H/E–One group of 5 EM ET < Thr.

L1T Algorithms: e/γTrigger Tower = 5x5 EM towers

ET

Electromagnetic Hadron 72 φ x 54 η x 2

= 7776 towers

E-HTower

η

Hit0 087φ

0.0145 η

0.0145 η

φη

0.087 φ

55

Indentificazione dei Jets

ηjet=(-1)ln(tan(θjet/2))

ϕ

• Particelle colpiscono il rivelatore e depositano la loro energia nei calorimetrinei calorimetri

• Energia depositata deve essere ricombinata per ricostruire l’energia trasversa e la direzione del partone originariol energia trasversa e la direzione del partone originario

• Fatto da tools chiamati Jet finders.

56

CMS jet e τ triggersjet trigger usa la somma delle energie trasverse (e.m.+had) calcolate nella regione calorimetrica (4x4 trigger towers),Il jet trigger usa 3x3 regioni calorimetriche (Δη,Δφ = 1.04) e usa una tecnica di sliding window che spazzola l’intera regione (η,φ) coperta dai calorimetri. Nella regione centrale richiede che ET sia piu’ alta dell’ ET nelle 8 regioni confinanti

“τ-like” identificate per I τ trigger :tau veto off

Jet o τ ET– Jet = (12x12 trig. tower ΣET>Cut) AND (central 4x4 ET > totale)

τ: deposito di energia isolatiτ: deposito di energia isolati–Jet ≡ τ se in 9 4x4 region τ vetoes off

ATLAS : trigger calorimetrico

Lvl-1 Calorimetrico: prestazioni• Efficienze vs PT

• Frequenza di trigger

Trigger di Muoni a LHCVogliamo selezionare muoni provenienti da diversi decadimentig pLa misura dell’impulso trasverso pT e’ fondamentale per la selezione degli

eventi interessantiDeve associare I muoni al corretto bunch crossingDeve associare I muoni al corretto bunch crossing

z] 106

Assegna Φ e η

Rat

e [H

z

104

105±π/±K

L0K

cb

L = 1034 cm-2s-1

102

103

10 τ*γ/0Z

±W all

| | < 2 1

10

10 |η| < 2.1

10-1

1

threshold [GeV/c]μTp

0 10 20 30 40 50 60 70 8010-2

Lvl-1 muon trigger: ATLAS

Lvl-1 muon trigger (CMS)

Lvl-1 muon trigger (CMS)3 rivelatori con tecnologie differenti e prestazioni diverse, sistema ridondante

Drift Tubes CSC RPC

EccellenteEccellenterisoluzionetemporale

•Extrapolation: using look-up tables• Track Assembler: link track segment-

Implementazione hardware:

Implementazione hardware:ASICs for Trigger Primitive Generators

gpairs to tracks, cancel fakes• Assignment: PT (5 bits), charge,

η (6 bits) , ϕ( 8 bits), quality (3 bits)FPGAs for Track Finder processors

η ( ) ϕ( ) q y ( )

Eccellenti risoluzione spaziale

Drift Tube Trigger Track Finder

Phi Track Finder(Sector Processor)(Sector Processor)

Track Finder Processor• Pipeline logic a 40MHz

(LHC bunch crossing frequency)(LHC bunch crossing frequency)• Implementato hardware con logica programmabile• Basata su estrapolazione e confronto

Drift Tubes

di pattern predefiniti

DT local trigger e track finderB h d T k Id tifi (BTI)

Signal scorrono in un registro

BTI cerca per coincidenza in ogni periodo di clock ( ≥3 piani l iti)

Bunch and Track Identifier (BTI)SuperLayer

colpiti)

Al tempo T=Tmax dal passaggio del muone I tempi di drift sono allineati, cioe’ gli hits formano l’immagine della traccia

T k Fi dTrack FinderBased on a meantimer technique:

MT1 = 0.5 * (T1 + T3) + T2MT2 = 0.5 * (T2 + T4) + T3

MT=Tmax independent on the track angle and position

TRAck COrrelator (TRACO)

MT=Tmax independent on the track angle and position

TRAck COrrelator (TRACO)

Collega i segmenti di traccia e fornisce la traccia intera.Assegna pt, Φ and η

Correla informazioni dal BTI relativo al superlayer interno ed esterno.

CSC Local Trigger e Track finderU L l Ch d T k (LCT) ’ f t i idUna Local Charged Track (LCT) e’ formata con una coincidenza di ≥ 4 hit strips (CLCT) o wires (ALCT) in piani differenti, appartenti a road predefinite

Optimized to measure Φprecisely Optimized to efficient BX identification

Cathode trigger (CLCT) Anode trigger (ALCT)

precisely(per misura

pT ) LCT trigger processor cerca coincidenze di hits (con

Localizza hit entro½ strip in un layer

(predefinito pattern) ogni 25 ns

Track finder

Collega segmenti di traccia e fornisce informazioni

Track finderModulo del muon sorter

Seleziona I 4 candidati di piu’spaziali 3-D spatial informationAssigns pt, Φ and η

Seleziona I 4 candidati di piu alto impulso trasverso

li invia al Global Muon Trigger

RPC Trigger

Pattern Comparator (PAC)

Principio:Segnali digitali che arrivano dai piani RPC sono combinati in patterns di hits

67

RPC sono combinati in patterns di hits.If they match one of the predefined pattern

Global muon trigger

Muon Trigger Rates vs. PMuon Trigger Rates vs. Pt t at 10at 103434

η η

U l it ’ bi i l i di tti di t i h ddi f

AlgoritmoAlgoritmo didi trigger trigger globaleglobaleUn algoritmo e’ una combinazione logica di oggetti di trigger che soddisfano

definiti criteri (soglie, topologie, criteri di qualita’ delle tracce).

In CMS ci sono 128 algoritmi che girano in paralleloIn CMS ci sono 128 algoritmi che girano in parallelo.

Esempio:2 leptoni back-to-back in ϕ, carica opposta, con energia Et sopra soglia

Particle condition for muons

Particle conditionfor Et miss

Particle conditionfor Et miss

Particle condition for e/γ

+ e/γμ

.AND. E Tto t E T

Th re sh .OR. .AND. E Tto t E T

Th re sh> >

- e/γμ

Algoritmi di trigger global a Livello 1

L1 Global Trigger

Lcombinazione di oggetti di trigger provenienti dal Global Calorimeter Trigger e dal Global Muon Triggergg

Best 4 isolated electrons/photons ET, η, φBest 4 non-isolated electrons/photons ET, η, φBest 4 jets in forward regions ET, η, φj g T η φBest 4 jets in central region ET, η, φBest 4 τ-Jets ET, η, φTotal ET ΣETTotal ET of all jets above threshold HTMissing ET ET

missing, φ(ETmissing)

12 jet multiplicities Njets (different ET thresholds and η-regions)Best 4 muons pT, charge, φ, η, quality, MIP, isolation

Soglie (pT, ET, NJets)Altre condizioni (geometria, isolamento, carica, qualita’)128 algoritmi in parallelo

TRIGGER TABLE

Chiamiamo il nostro trigger menu: trigger table. – E’ una lista di criteri di selezione– Ogni item nel menu’ :

• e’ chiamato Trigger Path • Sia a L1 (L2) che HLT :• Sia a L1, (L2) che HLT :

– Set di tagli, parameteri, istruzioni specifiche per ogni livello.

– Un evento e’ registrato se uno o piu’ trigger path ddi f ttisono soddisfatti.

– All’inizio della presa dati (nuovo run), l’intera trigger table e’ caricata nel sistema attraverso iltrigger table e caricata nel sistema attraverso il run control.

- Tutti I menu’ sono registrati database.g

Rate di Trigger

• Per ogni processo: rate R= Lσ(L = luminosita’ istantanea σ= cross section )(L = luminosita istantanea, σ= cross section.)

• Per le sezioni d’urto di trigger , si osserva:

σ = A/L + B + CL + DL2

rate sez.urto dip. Luminosita’cost costcost cost

La sezione d’urto cresce con la luminosita’ se le costanti sono diverse da 0

A B C D sono costanti che dipendono dal trigger– A,B,C,D sono costanti che dipendono dal trigger– Trigger con alta purezze hanno C~D~0. – 2 effetti comportano la presenza dei termini C e D :

Sovrapposizione di oggetti da diverse interazioni• Sovrapposizione di oggetti da diverse interazioni • Falsi trigger che dipendono dalla luminosita’.

R t R L A BL CL2 DL3• Rates: R=Lσ = A + BL + CL2+ DL3

CMS Trigger table LV1Se la rate e’ troppo alta si usa il pre-scale: si accettano solo una frazione pre-

Trigger object L1 Seed HLT thresh [GeV] L1 Rate [kHz]

(Prescl) Total Prescale HLT Rate [Hz]

definita di eventi di quel processo. Compinamento del trigger ogni N bunch crossing

Muon

OR of L1 prescaled bitsL1_SingleMu7

-ii-L1_DoubleMu3

NoneIso 1116

Double 3

0.003(4E3)1.19-ii-

0.32

1E3111

2182212

L1 Si l J t30 60 0 02 (1E4) 1E4 1L1_SingleJet30L1_SingleJet70L1_SingleJet100L1_SingleJet150L1_Sgl150, Dbl70

60110150200150

0.02 (1E4)0.03 (100)

0.59 0.06

1E41001011

1249

10

JetMETL1_Sgl150, Dbl70, Tpl50

L1_Sgl150, Dbl70, Tpl50, Qpl30

L1_ETM45

8560

65 0.53

11

1

74

5

SumETRapidityGap

1100

72

L1_SingleIsoEG12L1 SingleIEG15

1518

4.02.5

11

1710

ElectronL1_SingleIEG15

L1_DoubleIsoEG8L1_DoubleEG10

181012

2.50.740.50

111

100.20.8

L1_SingleIsoEG12L1 SingleEG15

3040

4.02.5

11

83

75

Photon L1_SingleEG15

L1_DoubleIsoEG8L1_DoubleEG10

402020

2.50.740.50

111

30.61.8

MinBias 1 2

ALL 161 +/- 2