Strategie di Trigger per ATLAS e CMS
nel 2007 e 2008
M.Dallavalle (CMS/Bologna)
A.Sidoti (ATLAS/Roma)
1. Introduzione
2. Trigger di primo livello
3. Trigger di livello superiore
(Workshop ATLAS-CMS,
Bologna, 23-25 Nov 2006)
1. Introduzione
1.1: Overview dei 2 rivelatori
Diversa struttura
magnetica:
ATLAS
Solenoide 2Tesla +
Toroidi (barrel + 2 end-cap)
CMS
Solenoide 4Tesla
1.2: overview dell’architettura del sistema di
trigger di ATLAS e di CMS
Diversa suddivisione delle risorse tra processori e banda di trasmissione
Livello1
40 MHz
Hardware
75 kHz
2.5 s
High Level
Triggers
(HLT)
~ 2 kHz
~ 10 ms
100 kHz
3.2 s
L2 + Event
Filter
~ 200 Hz
< 2s >
Software
~100 Hz
Rate
ATLAS: 3 physical levels
Legenda:
Level output rate
Level decision latency
1.3: Aspettative per il Calibration Run di LHC
From Mike Lamont talk at CMS week
Reasonable
Maximum
s 900 GeV run - Performance
kb
43
43
156
156
2
4
4
10
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
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
0.05
0.3
1.1
7
ib (1010)
* (m)
Luminosity (cm-2s-1)
Z rate
3
(per 24h)
Several days
1.
2.
3.
Assuming 450GeV inelastic cross section
Assuming 450GeV cross section W → lν
Assuming 450GeV cross section Z → ll
40 mb
1 nb
100 pb
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
1.4: Aspettative per il run di LHC nel 2008
Info from Mike Lamont talk at CMS week
• 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
Pilot Physics run in 2008
Sub-phase
Bunches
Bun. Int.
Time
Int lumi
1x1
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 – single
beam then two beams, IR1, IR5
-
-
-
-
2 days
-
Measurements squeezed
-
-
-
-
1 day
-
43 x 43
3 x 1010
10 m
7 x 1029
3 days - 6 hr t.a. - 70% eff.
75 nb-1
-
-
-
-
3 days
-
43 x 43
3 x 1010
2m
3.4 x 1030
3 days - 6 hr t.a. - 70% eff.
0.36 pb-1
-
-
-
-
Physics
156 x 156
2 x 1010
2m
5.5 x 1030
2 days - 6 hr t.a. - 70% eff.
0.39 pb-1
Physics
156 x 156
3 x 1010
2m
1.2 x 1031
5 days - 5 hr t.a. - 70% eff.
2.3 pb-1
28 days total
3.1 pb-1
First Collisions
Physics
Commission squeeze to 2m
collimation etc.
Physics
Commission 156 x 156
beta*
From Mike Lamont talk at CMS week
Luminosity
1 day
Condizioni di run che cambiano rapidamente
1.5: sezioni d’urto e rates a 1031-33 cm–2s–1
1033
1032
1031
108
107
106
105
104
103
102
101
100
101
100
10-1
Memo: banda max
Lv1 Out < 50 KHz (e x2 di
sicurezza)
HLT Out < 100 Hz
a 1031 cm–2s–1 :
•LV1: riduzione ~ 1/100; Jet triggers attivi ;
trigger leptonici con soglie basse
1031
cm–2s–1 e
a
70% duty c.
~10K W->l per 24h
•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
ATLAS
CMS
calo
muon
calo
muon
Final LVL1
Event decision
Sent via TTC
to FE electronics
ROI to LVL2
ROI = Region of Interest
Logica Calo&Muon: “Global Trigger” in CMS, “Central Trigger” in ATLAS
In ATLAS che CMS responsabilita’ italiana nel trigger muonico
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
…128
• Soglie di trigger il piu’ basse
possibile in modo da riempire
completamente la banda di 100KHz
Strategie di Trigger
Inclusivi (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 rivelatori
Performances degli algoritmi di selezione su dati reali
Objects
Physics Measurments
Trigger chains
electrons
Higgs (SM, MSSM), new gauge bosons,
extra dimensions, SUSY, W, top
e25i, 2e15i
photons
Higgs (SM, MSSM), extra dimensions, SUSY
60i, 220i
muons
Higgs (SM, MSSM), new gauge bosons,
extra dimensions, SUSY, W, top
20i, 210
Jets
SUSY, compositeness, resonances
j400, 3j165, 4j110
Jet + missing ET
SUSY, leptoquarks
j70 + xE70
Tau + missing ET
Extended Higgs models (e.g. MSSM), SUSY
35 + xE45
2.3: trigger calorimetrico- curve di turn on
ATLAS Level 1-Calorimeter logic
Level1 for many final states: electrons, photons, jets, taus and missing Et
Electron/photon selection:
Local maximum in Et of 2x2 region-> RoiI
2x1 (or 1x2) region within RoI over energy
threshold
Energy in the 12 adjacent cells < threshold: EM
Isolation
Had Energy in 16 cells < threshold: Had isolation
and no Had development
Sliding windows algorithm
Trigger towers  x  = 0.1 x 0.1
RoI widths:
e/g 0.2x0.2
jets/taus 0.4x0.4
Acceptance coverage:
e/g up to ||=2.5
jet up to ||=3.2
Missing Et: up to ||=5
ATLAS Level 1-Calo
L1 Efficiency vs Jet MC ET
Turn-on curves (L1 Eff vs MC ET)
2.4: trigger muonico – curve di turn on
CMS Muon Detectors
•
Muon stations in the iron
•
•
Barrel: Drift Tubes Chambers; Resistive Plates Chambers
End-Cap: Cathode Strip Chambers; RPC
yoke
LV1 Muon trigger
architecture
•2 independent trigger systems in
the barrel (DT+RPC)
•2 independent trigger systems in
each end-cap (CSC+RPC)
Soglie sharp = minor contributo da mu sotto
soglia mal misurati
Global muon trigger:
Fondo di dimuoni fasulli da singoli muoni
ridotto a <0.2%
ATLAS Level-1 Muon Trigger System
Atlas level-1 muon trigger system use: RPC (Barrel
subsystem) and TGC (Endcap subsystem)
Cabling projectivity towards interaction
point
Barrel(|eta|<1): Two Stations:
3 RPC planes for high-Pt
2 RPC planes for low-Pt
EndCap(1<|eta|<2.4): single trigger station
outside field.
Muoni in aria
Solo RPC in trigger
Momentum is defined with track
deviation from an infinite momentum muon
(Coincidence Windows)
2.5: trigger Globale – condizioni logiche miste a LV1
Similmente il
“Central Trigger”
di ATLAS
Anche 32 Technical Triggers -> esempio: RBC (Bari)
Trigger su cosmici nel barrel con le RPC
2.6: calibrazione Pre-Fascio: trigger su cosmici, testpulser e patterns simulati -- sincronia dei rivelatori
ATLAS Level 1-Muon: Commissioning with cosmics
Installazione @ Point 1 di ATLAS (cf talk G. Gaudio)
Settore 13 (1/8 del barrel ||<1)
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
Capacità di BX ID testata al
Combined Test Beam
(Estate 2004). Elettronica
finale
Presa dati “reali” (lo
scorso week-end con
campo magnetico)
ATLAS: LVL1-Muon Cosmics
Cosmici
Muon da collisioni
PT da “offline”
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”
PT da Trigger
Dati reali
Coordinate X,Z estrapolate alla superfic
UX15 pozzi evidenti!
25 ns
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 sectors
S10&11 in wheel2
S10 in wheel1
Tests effettuato
nell’area sperimentale
in superficie
Chamber synchronization (BX ID) at trig SectColl input
Only 5% of
detector.
MB1
The
challenge is
to put 250
chambers in
synch in
2007
MB2
MB3
MB3
theta
WH+1 Sect10
WH+2 Sect10
WH+2 Sect11
BX number
2.8: esempio 2: sincronizzazione DT vs CSC
muon trigger per CMS
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).
z
B (TESLA) longitudinal component
DT MB1
r
.05
BWCSC
Bn .19
ME1.1.38
.16
.56
.21
.77
BTI n
BTI n+1
B (TESLA) radial component
overlap
MTCC: muonBTIssegments
di DT utilizzati da CSC
.26
.96
1.15
.31
H-trig = 4/4 layers
L-trig = 3/4 layers
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
YB+1
YB+2
t=-15ns
BX number
YB+1
YB+2
t=+7ns
2.10: strategie di singolo fascio: trigger su
beam-gas collisions e beam halo
• 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
• trigger con rivelatori di muoni e calorimetria adronica nelle regioni in
avanti. A bassissimi raggi rivelatori ad hoc.
CMS
Similmente in ATLAS: MBTS (Minimum-Bias Trigger Scintillators)
Minimun Bias Trigger Scintillator
Geometria MBTS:
16 contatori da una parte e l'altra del punto di interazione
2 h-rings e 8 f -counters per ring
Total
copertura h : 2.1 <|h|<3.8
Efficienza su MB event: Eff(Nhit FWD>2 && Nhit BWD>2) = 51%
<N Part>/h~7.5 OK!
MBTS montati su
Lar
EndCap cryostat
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)
•Trigger “tecnici” in parallelo: es: random triggers; in CMS RBC per cosmici,
BSC per beam-gas e minbias; in ATLAS MBTS
• 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
2007 run - Lv1 Muon trigger commissioning
Statistica disponibile:
Con ~100 nb-1 run @ 0.9 TeV : Pt > 5 GeV
0(100K) muoni da p/K
0(10K) muoni da b/c
0(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
Con ~100 nb-1 run @ 0.9 TeV : Et > 10 GeV
0(100) e da J/
80 e da W
6 e da Z
Jets
Test: simmetria della
distribuzione in phi
Tool importante:
il campione di π0 (O(10K))
• 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
Esempio 1 (in studio): ATLAS LV1 trigger Menu @ 1031
Trigger
mu4
LVL1
Rate Hz
Trigger
1000
mu15
50
em10
5400
em25
240
em25i
65
2em10
570
2em20
80
2em20i
3
2em7
study
LVL1
Rate Hz
j20
1750
j40
400
j60
100
J80
40
J100
15
2j90
7
XE30
500
SUMET300
1000
TAU10i
7000
combined signatures required
(XE+J, XE+mu, J+em, ...)
Prescaled triggers efficiency
measurements
Triggers for calibration
ATLAS muon calibration
stream starts from L2 output
LVL1 GrandTotal<20 kHz
OK also for staged
LVL2 farm
Esempio 2 (in studio): CMS LV1 trigger menu @1033
CMS Phys TDR 2006, appendix E
Mixed triggers
Mu&calo
iso-rate curves (KHz); ||<2.1
W 90%
Z 99%
H(150) ZZ*4
98%
50KHz DAQ / 4 KHz for , 
W 82%
Z 97%
H(150) ZZ*4
98%
100KHz DAQ / 8 KHz for , 
2.13: sommario: strategia trigger LV1 2007-2008
• 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
•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