20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN) Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment Seminar über neue Arbeiten am Atominstitut

20. Oktober 2010

Christian Hartl (HEPHY, CERN)

Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment

Seminar über neue Arbeiten am Atominstitut

Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter bei CMS

2Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010

Inhalt

• Brennende Fragen der Teilchenphysik• Das CMS-Experiment• Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter• Globaler Trigger• Online Software für den Globalen Trigger• Zusammenfassung



Fragen der Teilchenphysik

• Wo ist das Higgs-Boson?– das letzte unbeobachtete

Elementarteilchen imStandardmodell der Teilchenphysik

– Vermittler der Masse– Mechanismus der elektroschwachen

Symmetriebrechung

2µ

2e

Quelle: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2009/03/13/closing-in-on-the-higgs-boson/

SM-Higgs Produktions-Kanäle:

Quelle: http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/higgs.html

Simulierter Higgs-Zerfallim CMS-Detektor:




• Gibt es Supersymmetrie?– mögliche Erklärung des Hierarchie-Problems:

• Higgs-Skala (102 GeV) << Planck-Skala (1019 GeV)warum?

Quelle: http://www.physics.gla.ac.uk/ppt/susy.htm




• Krumme Extra-Dimensionen?– mögliche alternative Lösung des

Hierarchieproblems• Gravitation eig. stark (Planck-Masse eig. klein), aber

– Fluss verschwindet in kleinen Extra-Dimensionen– Gravitation bei alltäglichen Distanzen effektiv schwach

• erklärt Fine-Tuning

Quelle:http://universe-review.ca/I15-30-extradim.jpg




• Verdampfende Mini Black Holes?– im Rahmen von Extra Dimensions:Temperatur…

• aus Energieverteilung der bei Verdampfung emittierten Teilchen

als Funktion der Masse…• aus gesamter im Detektor

deponierter Energie– abhängig von Anzahl der Extra-

Dimensionen

• Erd-verschlingende schw. Löcher

Quelle: http://cerncourier.com/cws/article/cern/29199

ATLAS-Simulation




• Woraus besteht Dunkle Materie?– Häufigkeit im Universum (22%)

korreliert mit elektroschwacher Skala LHC-Energie

– Wechselwirkungen im CMS-Detektor?

– Kandidaten:• SUSY:

LSP, stabil via R-Parität• Extra Dimensions:

LKP, stabil via KK-Parität

Siehe auch:http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2006/08/27/identifying-dark-matter/http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2006/08/21/dark-matter-exists/http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/media/bullet.mpg

Quelle: http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/



Fragen der Teilchenphysik• Technicolor etc. ?

– elektroschwache Symmetriebrechung durch zusätzliche QCD-artige (asymptotisch freie) Wechselwirkungen

– kein Higgs kein Fine-Tuning, kein Hierarchieproblem

• Erhellung der Dunklen Energie?– WMAP: Universum ist flach– aber baryonische+dunkle Materie

nur 26% der erforderlichen "kritischen Dichte"

74% "dunkle" Massenenergie• kosmologische Konstante?• neues Feld (Quintessenz)?• oder Abänderung der Allg. Relativitätsth.?




• Mehr als drei Fermion-Generationen?– neue Quarks/Leptonen?

• Preonen?– Substruktur von Quarks/Leptonen?

• Langlebige, schwach wechselwirkende neutrale Teilchen?– mysteriös fehlende Energie im Detektor…

• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?– Baryonenzahl-Verletzung



CMS am Large Hadron Collider (p-p)

Französische Alpen

Genfer See

LHCU = 26,7 kmTorbit = 89 µs

Tcollision = 25 ns

Zwei Protonenbündel zu je 100 Mrd. Protonen kollidieren @ 40 MHz.Im Schnitt 18 inelastische Wechselwirkungen (bei L = 1034 cm-2 s-1).


11Christian Hartl (HEPHY, CERN)20. Oktober 2010Quelle: http://www.boston.com/bigpicture/2008/08/the_large_hadron_collider.html



Compact Muon Solenoid (CMS)

L x D = 21 m x 15 m

B = 4 T (axial)

Tracker (Silizium): Spuren und Impulse geladener Teilchen

ECAL (Blei-Wolframat): Energie und Ort von e+, e-, γ

HCAL (Messing etc., Szintillatoren): Energie, Ort von Hadronen

Myonsysteme (DT, CSC, RPC): Präzisionsvermessung von MyonenDT, CSC: Ort, ImpulsRPC: Zeit ( Triggern)

supraleitende Spule:



Compact Muon Solenoid

Quelle: http://www.boston.com/bigpicture/2008/08/the_large_hadron_collider.html



Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter

1. Kollision (p-p)

2. Inel. Ereignis

3. Sekundärereignis

p p

H γ γ

4. Photonen durchqueren CMS

5. Analoges Signal in sensitiven Subdetektoren (Tracker, ECAL)

6. Digitalisierung &Speicherung in Ring-Buffer(max 3,2 µs = 128 Strahlkreuzungen)

7. Subdetektoren erzeugenprimitive Trigger-Objekte:Ort, Energie, Impuls – grob

8. Level-1 Trigger-Hardware berechnet Trigger-Objekte:•Myonen•Transversal-Energie-Summen•Photonen/Elektronen•Jets

LHC CMS-Detektor CMS-Level-1-Trigger

Signaturgefunden?

10. Global Triggerschickt

Level-1 Accept

9. Globaler Trigger sucht nach >100 definierten Physiksignaturen (z.B. 2 Photonen über vorgegebener Schwellenergie).

Globaler Trigger

11. Datenakquisitionempfängt Ereignis-Datenvon Detektor und Trigger

L1AEvent-Daten

max.3.2 µs

DAQ

High Level Trigger12. High Level Trigger:Computer-Farm untersucht Daten genauer, filtert Interessanteste heraus.(Berechnung basiert auf kompletten Event-Daten.)

GRID




Stufe: Level-1 Trigger High Level Trigger

Technologie: Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)

Computer-Farm

Input-Frequenz: 40 MHz(40 Millionen Kollisionen

pro Sekunde)

Output-Frequenz des Level-1 Triggers

Output-Frequenz: 100 kHz(DAQ-Limit)

max. 100 Hz(Speicher-/Transfer-

Limit)

Input-Datenpro Ereignis:

grobe Triggerdaten von Detektor-Front-End

komplettes "Event", alle CMS-Detektordaten

(~1MB)

Max. Daten-Strom: 100 GB/s 3·106 GB/a

Verarbeitungszeit pro Ereignis:

max 3.2 µs (aber fix)(Silizium-Tracker-Limit)

max. 40 ms

CMS hat zwei Filter-Stufen




• global:– die vier besten

Myonen

• regional:– Spuren vom

DT/CSC Track Finder

– Spuren vom RPC Pattern Trigger

• lokal:– Spursegmente

von DT/CSC– RPC Hits

L = 1034 cm-2s-1

Myonen-Trigger:• global:

– die vier besten Objekte von jeder Art

• regional:– Elektronen/

Photonen– Transversalenergie

-Summen– minimal-

ionisierendes Teilchen?

– isoliertes Teilchen?

• lokal:– Transversalenergie

-Summen von HCAL/ECAL Trigger Towers

Kalorimeter-Trigger:Level-1-Trigger Hardware

HEPHY



Der Globale TriggerHauptfunktionen (bei jeder Kollision, 40 MHz):

– Empfang und Synchronisation von Trigger-Objekten– Berechnung von >100 Trigger-Algorithmen (and-or-not) basierend auf:

• Transversal-Energie, Transversal-Impuls, Quality,Ort (η, φ), Topologie (Δη, Δφ). Bis zu vier Teilchen/Objekte verknüpfbar.

– Finales ODER, Ausendung der Trigger-Entscheidung (Level-1 Accept)



1a. Empfang von technischen Trigger-Signalen (Beam-Trigger etc.). Synchronisation.

Der Globale Trigger

1c. Empfang von Myonen. Synchronisation.

1b. Empfang von Kalorimeter-Objekten und anderen Signalen. Synchronisation.

GMT

2. Berechung von bis zu 128 Trigger-Algorithmen

3. Logisches ODER aller positiven Algorithmen und technischer Trigger-Signale

4. Überprüft Detektorstatus, falls alle Systeme bereit: Aussendung Level-1-Accept.Sendet ausserdem schnelle Synchronisationssignale etc. 5. Nach Level-1

Accept: Daten zur Datenakquisition.Enthält auch Entscheidungswort!(= Seed für HLT)

0. LHC-Clock-Input. Verteilung.

Trigger ControlSystem

FDL GTLGTFE

PSBs (hinter GMT)

TIMPSBs



Der Globale Trigger

• FDL-Zähler:– Ratenzähler für runterskalierte

Algorithmen– Ratenzähler für runterskalierte

technische Trigger

• TCS-Zähler:– eigehende und unterdrückte L1A-

Kandidaten– Physik-Trigger– Kalibrationstrigger– Random-Trigger– diverse Totzeit-Zähler

CMS

regionaltrigger

GCTGMT

40 MHz Pipeline-Logik

calo & muonobjects GTL 1. Logic OR

2. Prescale3. Rate Counters

128algos

technical triggerobjects (BPTX, BSC etc)

64tech

Global Trigger

FDL

physics

calib

random

rand-gen calib-gen

TCS

L1A candidate

L1A to detector

backpressuretrigger rules...

TCSdeadtimecounters

Level-1



Online-Software für den Globalen Trigger

Integration mit der Experiment-Steuerung

•im Rahmen des TriggerSupervisor-Frameworks•Zyklus der CMS-Datennahme

Monitoring

•Online-Hardware-Monitoring für Schichtbetrieb•Triggerraten, Totzeiten…•Detektorstatus•Schnittstellen zu Abnehmer-Systemen

Konfiguration der Hardware / Datenbank

•Konfigurationseditor•Datenbank für Trigger-Setup•Konfigurationsprozess•Übersetzung Hardware-Setup Emulator-Setup

Usability

•Benutzerfreundliche Web-Applikationenfür Experten und für Physiker im Schichtdienst•Stabilität



Integration mit Experiment-Steuerung

CMSRun Control

Regional Calorimeter Trigger

Global Calorimeter Trigger

Resistive Plate Chamber Trigger

Drift Tube Track Finder

Cathode Strip Chamber Track Finder

Tracker, HCAL, ECAL, DT, RPC, CSC...

Global Muon Trigger

Clock & Signal Distribution (TTC)

Global Trigger

Detector ApplicationsC

entra

l Trig

ger C

ell

L1 T

rigge

r Fun

ctio

n M

anag

er

Level 1 Trigger Applications

DAQ, DQM, HLT…Data Acquisition, Filtering, Monitoring Applications

GT/GMT VME crateet al.

in unterirdischer Service Kaverne

(schräg überhalb Detektor)

Detector

Trigger Hardware

PCI link(CAEN VME)



Globar Trigger – Zyklus der Datennahme• configure

1. GT: hardware setup2. GT: periodic orbit signal

(BC0)to CMS systems

• enable 1. GT: start signal to CMS

systems2. GT: trigger sources ON

(physics, random, calibration)

• stop1. GT: trigger sources

OFF2. GT: stop signal to CMS

systems

• cold-reset (halted-halted)– reload firmware into

chipsfrom PROMs (necessary when LHC clock changes)

• repartition (configured-configured)

– define which detector partitions(there are 32) should be serviced by the Trigger Control system

• change prescaling (enabled-enabled)

– to compensate for decreasing luminosity

configured

enabled

halted

suspended

configureenable

suspend

stop

stop '

enab

le'

cold-reset

repartition

change prescaling

Detektor kann in 8 Teilgruppen aufgeteilt werden,jede kann unabhängig gesteuert werden.

x 8



Globaler Trigger – Online-Software-Architektur

Trigger Supervisor Frameworkcommands, operations, control panelsdatabase access, cell communication

XDAQ Frameworklightweight C++ web applications

generic access to hardware and databaseinter-application network messaging

GT Librariesaccess to

GT module functions

Scientific Linux CERNoperating system used by CMS

GT/GMTTest Cell

TriggerMenu Cell GT Cell GT/GMT Test

Applications

CMS Private Computer Network

CMSDatabase

GMT Cell



Konfiguration des Globalen Triggers

• Menü der Algorithmen für den Physik-Trigger:– Datenbank enthält Struktur für alle Parameter– Firmware kann daraus generiert werden.– Änderung von Thresholds etc. per Software

• Synchronisations-Parameter– Ausrichtung empfangener Triggerdaten vor Berechung der

Algorithmen– richtiges Timing für Trigger– richtiges Timing für Readout

• Parameter für Testfunktionen etc.



Datenbank-Abbildung der Physik-Algorithmen



Hardware/Datenbank-Konfigurations-Editor

z.B. Änderung der Input-Synchronisations-Einstellungen für technische Trigger-Signale



Dynamisches "Prescaling"• Individuelle Ratenreduktion für Algorithmen und Technische Trigger

– jeder N(i)-te Trigger-Kandidat wird akzeptiert(d.h. an das Finale ODER übergeben)

– N(i) = Prescale-Faktor für Algorithmus i– Prescaling speziell wichtig für häufig vorkommende Trigger

(z.B. MinimumBias)

• Auch High Level Trigger wendet Prescaling für "HLT-Pfade" an.

Einstellen der Raten individuell für jeden Trigger/Pfad Erlaubt Physik-Prioritäten festzulegen Änderungen zwischen Level-1 (GT) und High Level Trigger (HLT) laufen synchronisiert

ab.

• Während der Datennahme sinkt Luminosität und damit die Triggerrate

– Raten sollen aber (im großen und ganzen) konstant bleiben für größtmöglichen Informationsgewinn aus LHC

Stufenweise Verringerung von N(i) während der Datennahme (dyn. Prescaling)



Editor für Prescale-Faktoren

vordefinierte Prescale-Faktoren fürunterschiedliche Luminositätswerte



Z.B. Konfigurations-GUI (Algorithmen etc.)

z.B. An-/Ausschalten von Algorithmenfür den Trigger

z.B. Einstellung neuer (vordefinierter)Prescaling-Werte während der Datennahme



Z.B. Status-Monitoring des Detektors

Warten auf Detector-READY…

Run noch nicht gestartet (GT output = "idle")…



Z.B. Triggerraten-/Totzeit-Monitoring

Monitoring von Triggerraten und Totzeiten gibtAufschluss über defekte Detektorkomponenten

temporäre Entfernung aus Datennahme

ORACLEDatenbank

CMSMonitoring

Infrastruktur



Zusammenfassung• Der Globale Trigger bei CMS filtert Physik-Signaturen aus jeder

Protonenbündel-Kollision und triggert auf Ereignisse die relevant erscheinen im Hinblick auf neue Physik.

• Hardware, Firmware und Software wurde von HEPHY gebaut bzw. entwickelt.

• Das System wurde vor Inbetriebnahme des LHC lange Zeit in "Global Runs" (CMS in Betrieb mit kosmischen Myonen) getestet und weiterentwickelt. Stabiles Running seit dem Startup des LHC.

• Ein umfassendes Software-System zur Steuerung und Überwachung der Hardware des Globalen Triggers und zur Interaktion mit Konfigurations- & Monitoring-Datenbank wurde entwickelt und wird für Datennahme eingesetzt.

Documents

20. Oktober 2010 Christian Hartl (HEPHY, CERN) Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment Seminar über neue Arbeiten am Atominstitut