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Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment

Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment. Seminar über neue Arbeiten am Atominstitut. Inhalt. Brennende Fragen der Teilchenphysik Das CMS-Experiment Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter Globaler Trigger Online Software für den Globalen Trigger Zusammenfassung. 2µ.

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Physikalische Spurensuche mit dem Online-Filter beim CMS-Experiment

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Presentation Transcript

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

  2. Inhalt • Brennende Fragen der Teilchenphysik • Das CMS-Experiment • Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter • Globaler Trigger • Online Software für den Globalen Trigger • Zusammenfassung Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  3. 2µ 2e Fragen der Teilchenphysik Simulierter Higgs-Zerfall im CMS-Detektor: • Wo ist das Higgs-Boson? • das letzte unbeobachtete Elementarteilchen imStandardmodell der Teilchenphysik • Vermittler der Masse • Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung SM-Higgs Produktions-Kanäle: Quelle: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2009/03/13/closing-in-on-the-higgs-boson/ Quelle: http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/higgs.html Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  4. Fragen der Teilchenphysik • 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 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  5. Quelle: http://universe-review.ca/I15-30-extradim.jpg Fragen der Teilchenphysik • 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 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  6. Fragen der Teilchenphysik • 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 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  7. Fragen der Teilchenphysik • 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/ Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  8. 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 Materienur 26% der erforderlichen "kritischen Dichte"  74% "dunkle" Massenenergie • kosmologische Konstante? • neues Feld (Quintessenz)? • oder Abänderung der Allg. Relativitätsth.? Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  9. Fragen der Teilchenphysik • 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 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  10. CMS am Large Hadron Collider (p-p) Französische Alpen Genfer See LHC U = 26,7 km Torbit = 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). Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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

  12. Compact Muon Solenoid (CMS) 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 Myonen DT, CSC: Ort, Impuls RPC: Zeit ( Triggern) supraleitende Spule: B = 4 T (axial) L x D = 21 m x 15 m Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  13. Compact Muon Solenoid Quelle: http://www.boston.com/bigpicture/2008/08/the_large_hadron_collider.html Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  14. p p 4. Photonen durchqueren CMS 5. Analoges Signal in sensitiven Subdetektoren (Tracker, ECAL) 6. Digitalisierung & Speicherung in Ring-Buffer (max 3,2 µs = 128 Strahlkreuzungen) max. 3.2 µs Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter LHC CMS-Detektor CMS-Level-1-Trigger Globaler Trigger • Kollision (p-p) • Inel. Ereignis • Sekundärereignis • 7. Subdetektoren erzeugenprimitive Trigger-Objekte: • Ort, Energie, Impuls – grob • 8. Level-1 Trigger-Hardware berechnet Trigger-Objekte: • Myonen • Transversal-Energie-Summen • Photonen/Elektronen • Jets 9. Globaler Trigger sucht nach >100 definierten Physiksignaturen (z.B. 2 Photonen über vorgegebener Schwellenergie). H  γ γ High Level Trigger 12. High Level Trigger: Computer-Farm untersucht Daten genauer, filtert Interessanteste heraus. (Berechnung basiert auf kompletten Event-Daten.) Event- Daten L1A DAQ GRID Signatur gefunden? 10. Global Trigger schickt Level-1 Accept 11. Datenakquisition empfängt Ereignis-Daten von Detektor und Trigger Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  15. Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter CMS hat zwei Filter-Stufen Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  16. global: die vier besten Myonen regional: Spuren vom DT/CSC Track Finder Spuren vom RPC Pattern Trigger lokal: Spursegmente von DT/CSC RPC Hits HEPHY Hochgeschwindigkeits-Physik-Filter Level-1-Trigger Hardware Myonen-Trigger: Kalorimeter-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 L = 1034 cm-2s-1 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  17. Der Globale Trigger Hauptfunktionen (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) Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  18. Der Globale Trigger 0. LHC-Clock-Input. Verteilung. TIM 1b. Empfang von Kalorimeter-Objekten und anderen Signalen. Synchronisation. PSBs 1a. Empfang von technischen Trigger-Signalen (Beam-Trigger etc.). Synchronisation. 1c. Empfang von Myonen. Synchronisation. GMT PSBs (hinter GMT) 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) Trigger Control System 3. Logisches ODER aller positiven Algorithmen und technischer Trigger-Signale 2. Berechung von bis zu 128 Trigger-Algorithmen GTFE GTL FDL Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  19. FDL-Zähler: Ratenzähler für runterskalierte Algorithmen Ratenzähler für runterskaliertetechnische Trigger TCS-Zähler: eigehende und unterdrückte L1A-Kandidaten Physik-Trigger Kalibrationstrigger Random-Trigger diverse Totzeit-Zähler Der Globale Trigger 40 MHz Pipeline-Logik FDL GTL 1. Logic OR 2. Prescale 3. Rate Counters 128algos calo & muonobjects CMS regionaltrigger GCTGMT Level-1 64tech technical triggerobjects (BPTX, BSC etc) rand-gen calib-gen TCSdeadtime counters physics random calib L1A candidate backpressure trigger rules... TCS Global Trigger L1A to detector Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  20. 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 Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  21. Integration mit Experiment-Steuerung Detector Applications Tracker, HCAL, ECAL, DT, RPC, CSC... CMSRun Control Data Acquisition, Filtering, Monitoring Applications DAQ, DQM, HLT… Detector Level 1 Trigger Applications Trigger Hardware Clock & Signal Distribution (TTC) Global Trigger PCI link(CAEN VME) Global Muon Trigger Cathode Strip Chamber Track Finder GT/GMT VME crateet al. in unterirdischer Service Kaverne (schräg überhalb Detektor) L1 Trigger Function Manager Central Trigger Cell Drift Tube Track Finder Resistive Plate Chamber Trigger Global Calorimeter Trigger Regional Calorimeter Trigger Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  22. configure GT: hardware setup GT: periodic orbit signal (BC0)to CMS systems enable GT: start signal to CMS systems GT: trigger sources ON(physics, random, calibration) stop GT: trigger sources OFF 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 cold-reset halted configure repartition configured stop enable change prescaling enabled stop' enable' suspend suspended Globar Trigger – Zyklus der Datennahme x 8 Detektor kann in 8 Teilgruppen aufgeteilt werden, jede kann unabhängig gesteuert werden. Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  23. Globaler Trigger – Online-Software-Architektur Trigger Menu Cell GT/GMT Test Cell GT Cell GMT Cell GT/GMT TestApplications Trigger Supervisor Framework commands, operations, control panels database access, cell communication GT Libraries access toGT module functions XDAQ Framework lightweight C++ web applications generic access to hardware and database inter-application network messaging CMS Database Scientific Linux CERN operating system used by CMS CMS Private Computer Network Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  24. 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. Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  25. Datenbank-Abbildung der Physik-Algorithmen Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  26. Hardware/Datenbank-Konfigurations-Editor z.B. Änderung der Input-Synchronisations- Einstellungen für technische Trigger-Signale Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  27. 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) Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  28. Editor für Prescale-Faktoren vordefinierte Prescale-Faktoren für unterschiedliche Luminositätswerte Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  29. Z.B. Konfigurations-GUI (Algorithmen etc.) z.B. Einstellung neuer (vordefinierter) Prescaling-Werte während der Datennahme z.B. An-/Ausschalten von Algorithmen für den Trigger Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  30. Z.B. Status-Monitoring des Detektors Warten auf Detector-READY… Run noch nicht gestartet (GT output = "idle")… Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  31. Z.B. Triggerraten-/Totzeit-Monitoring CMS Monitoring Infrastruktur Monitoring von Triggerraten und Totzeiten gibtAufschluss über defekte Detektorkomponenten  temporäre Entfernung aus Datennahme ORACLE Datenbank Christian Hartl (HEPHY, CERN)

  32. 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. Christian Hartl (HEPHY, CERN)

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