Trigger und Datenaquisition

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1 Trigger und Datenaquisition Benno List Universität Hamburg Vorlesung Detektoren für die Teilchenphysik Teil 12: Trigger und Datenakquisition Seite 1

2 Einleitung Moderne Detektoren bestehen aus vielen Subsystemen (Vertexdetektor, Tracker, Kalo, Myonsystem etc.) mit vielen einzelnen Kanälen (10 [ToF-Systeme] bis 108 [Pixel]) Daten jedes Kanals werden fortlaufend digitalisiert, Frequenz im Bereich MHz => Gigantische Datenmengen! Daten eines Ereignisses müssen zusammengeführt, zwischengespeichert (bis Triggerentscheidung) und für Rekonstruktion&Analyse gespeichert werden: Datenakquisition Ein Ereignis kann potentiell bei jedem Bunchcrossing auftreten Bunchcrossing-Frequenz 50kHz (LEP) bis 40MHz (LHC) Meistens passiert nichts (LEP, HERA) oder nichts interessantes (Tevatron, LHC) => muss interessante Ereignisse schnell auswählen: Trigger Seite 2

3 Datenmengen Einfaches Szintillator-Array (ToF) bei H1: 8 Kanäle, 10.4MHz, 1bit => 10 Mbyte/s, 1byte/event Driftkammer von H1: 5280 Kanäle, 104MHz, 12bit => 770 Gbyte/s, 200kByte/event CMS-Pixel-Detektor: 100M Kanäle, 40MHz, 2bit => 1000 Tbyte/s, 25Mbyte/event Folgen: Daten müssen lokal zwischengespeichert werden, bis Triggerentscheidung fällt Auslese dauert i.a. viel länger als Zeit zwischen zwei Bunchcrossings => Totzeitproblem Daten müssen vor/während Auslese reduziert werden Seite 3

4 Einführung Trigger Trigger: Entscheidet, ob Daten eines Ereignisses ausgelesen werden sollen (widersprüchliche) Anforderungen: Hohe Ansprechrate für interessante Ereigsse => Effizienz Niedrige Ansprechrate für Untergrund => Reinheit Schnelle Entscheidung => Geschwindigkeit Notwendig: Schnelle (Sub)detektoren mit überschaubarer Kanalanzahl Schnelle Elektronik Schnelle Datenleitungen Schnelle Computer Heutzutage: Mehrstufige Triggersysteme: Jede Stufe hat mehr Zeit, benutzt mehr Informationen: Reinheit steigt Effizienz sinkt mit jeder Stufe, hoffentlich nicht zu sehr Seite 4

5 Triggerstufen H1 ATLAS CMS Seite 5

6 Triggerstufen Heute allgemein: Mehrstufiger Trigger Level 1: Hardware, sehr schnell (2μs), relativ einfach => Daten werden festgehalten für weitere Untersuchungen Intermediäre Level: Mehr Zeit (20-100μs), spezielle, intelligente Hardware (FPGAs, DSPs, Prozessoren) Spezialität von CMS: Keine intermediaren Triggerstufen High Level: Viel Zeit (100ms), hochparallele Prozessorfarmen ( Prozessoren) => vollständige oder teilweise Ereignisrekonstruktion, Physik-Algorithmen Seite 6

7 Lokale Zwischenspeicherung der Daten Pipelines: Speicher mit Stufen, first in, first out Daten werden an einem Ende hineingefüttert und von Stufe zu Stufe weitergegeben, bis sie herausfallen Vorteil: Daten in einer Pipeline-Stufe haben immer dasselbe Alter => gut geeignet für Triggerzwecke Zyklischer Speicher: Speicher, dessen Inhalt immer wieder überschrieben wird Seite 7

8 Level-1 Trigger und Pipelines Daten der Auslesekanäle werden fortlaufend digitalisiert und in (lokale) Zwischenspeicher (Pipeline, zukl. Speicher) geschrieben => zu jedem Zeitpunkt ist Historie der letzten n bunch crossings verfügbar (typ.: ca. 2μs) Beachte: Daten stehen nicht sofort zur Verfügung (Kabellaufzeiten, Signalsammelzeiten, Driftzeiten) => muss nach Ereignis 100ns-1μs warten, bis alle Daten da sind, brauche also Historie Bevor Daten Zwischenspeicher verlassen, muss die Level-1-Triggerentscheidung fallen => Pipelines werden angehalten (Totzeit beginnt) oder auf anderen Zwischenspeichr umgeschaltet Komplette Auslese aller Daten dauert lange (typ. 1ms) => Intermediäre Trigger können zeitintensive Auslese abbrechen oder verhindern, um Totzeit zu verringern Seite 8

9 Level 1-Triggersysteme Begrenzte Zwischenspeicher ( Kanäle!) => Triggerentscheidung muss schnell (1-2μs) fallen Brauche Subdetektoren mit schnellen Signalen (Szintillatoren, Proportionalkammern) nicht zu vielen ( ) Kanälen überschaubarem Aufwand für Interpretation Sehr gut geeignet: Grob segmentiertes Kalorimeter, am besten mit Photodetektor-Auslese Prop-Kammern mit nicht zu vielen Kanälen (Myonkammern) Geeignet, mit Einschränkungen Lar-Kalorimeter (Signal-Breite typ. 100ns) Tracker (Driftkammer, Silizium) mit Auslese eines Teils der Kanäle Schwierig / (noch) unmöglich: Pixel-Detektoren (105 Kanäle, Spurerkennung sehr schwer) Seite 9

10 Quelle: Paris Sphicas: Trigger and DAQ Challenges at the LHC Signaturen für Level-1 Trigger Seite 10

11 Siganturen für Level-1 Trigger, cont'd Standard: Photonen/Elektronen: hochenergetische, sehr kompakte Energiedeposition im el-mag Kalorimeter Jets: hochenergetische, kompakte Energiedeposition im hadronischen Kalorimeter Myonen: Spur im Myonsystem Advanced: Spurtrigger: Rekonstruieren Spuren im Tracker, z.b. Driftkammer (H1, ZEUS) Seite 11

12 Level-1 bei LHC Seite 12

13 Was geht gut auf Level 1? Z.B. LEP-I (OPAL): Untersuchung von e+e- -> Z0 -> e+e-, μ+μ-, τ+τ-, jj: geringe Rate (Hz), große Energie (45GeV) der Teilchen => triggere jedes Ereignis mit Myonen oder genügend Energie im Kalorimeter Seite 13

14 Beispiel H1: Gut zu triggern Myon Elektron Jet Jet Myon Jet Seite 14

15 Beispiel H1: Schwer zu triggern Charm (D*-Erzeugung): Viele Spuren, 3 davon ergeben D*-Masse -> brauche sehr schnelle Massenrekonstruktion Phi-Meson-Erzeugung: Praktisch leerer Detektor, nur zwei niederenergetische Spuren -> brauche Trigger auf Spurbasis Charm-Erzeugung Phi-Meson-Erzeugung Seite 15

16 Beispiel H1: Untergrund Kosmisches Myon Proton-Gas-Wechselwirkung Kosmisches Myon mit ep-ereignis! Halo-Myon mit ep-ereignis! Seite 16

17 Beispiel CMS: Nur Kalorimeter und Myonsystem beteiligt Grund: keine komplexe Mustererkennung wie im Tracker nötig (ca Spuren bei Luminosität von 1034 cm-2s-1), geringere Datenmenge, Si-Auslese zu langsam für L1! Trigger beruht auf: Clustersuche in den Kalorimetern Spurensuche im Myonsystem H->ZZ->4μ H->γγ Seite 17

18 Untergrund Untergrund ist das Hauptproblem für Trigger an Hadronmaschinen (HERA, Tevatron, LHC): Raten von Untergrund sind im 10kHz-bis MHzBereich! => Folge: Seltene Prozesse (z.b. Kosmisches Myon+Wechselwirkung) haben immer noch Raten im HzBereich => Wenn man die typischen Untergrundereignisse um Faktor unterdrückt hat, ertrinkt man immer noch in den untypischen Ereignissen :-( Faktor ! Seite 18

19 Triggerstufen bei CMS Level-1 Trigger Makrogranulare Information aus Kalorimetern und Myonsystem (e, m, Jets, ETmissing) Schwellwert- und Topologiebedingungen möglich Entscheidungszeit: 3,2 μs Eingangsrate: 40 MHz Ausgangsrate: bis zu 100 khz Speziell entwickelte Elektronik High Level Trigger (mehrere Stufen) Genauere Informationen aus Kalorimetern, Myonsystem und Tracker Schwellwert-, Topologie-, Massenbedingungen u.a. sowie Vergleiche mit anderen Detektoren möglich Entscheidungszeit: zwischen 10 ms und 1 s Eingangsrate: bis zu 100 khz Ausgangsrate (Datenakquisition): ca. 100 Hz Industrielle Prozessoren und SwitchingNetzwerk Seite 19

20 CMS: 2-Stufen-Konzept Vorteile: weniger Komponenten, skalierbar Investition in Bandbreite und kommerzielle Komponenten Seite 20

21 CMS Level-1-Trigger Lokal Messung von Energien in einzelnen Kalorimeterzellen bzw. Gruppen Bestimmung von Spurpunkten- bzw. Spursegmenten in Myondetektoren KalorimeterRegional trigger Identifikation der Teilchensignatur Messung von pt/et (e/γ, µ, Jets, τ-jets) Bestimmung der Ortskoordinaten (η/φ) und Qualität Global Sortierung der Kandidaten nach pt/et, Qualität und Beibehaltung der besten 4 jedes Typs zuammen mit Orts- und Qualitätsinformation Bestimmung von SET, ETmissing, Jetmultiplizitäten für 8 Schwellwerte Algorithmenlogik Schwellwerte (pt/et, NJets) geometrische Korrelationen - z.b. Back-to-back Ereignisse, Forward Tag Jets - Detailliertere topologische Bedingungen optionell - Ortsinformation für HLT - Diagnostik e/ γ Jet φ η Seite 21

22 Der lokale CMS-Myontrigger Driftröhrenkammern Kathodenstreifenkammern Ebene Vektor aus 4 getroffenen Zellen Driftröhrenkammern und Kathodenstreifenkammern dienen zur Präzisionsmessung und zum Triggern. Statio n Korrelator kombiniert Vektoren zu Spursegment Komparatoren ermöglichen Auflösung von 1/2 Streifenbreite Resistive Plate Chambers (RPC s) sind spezielle Triggerkammern. 6 getroffene Streifen bilden Spursegment Seite 22

23 Der regionale CMS-Myontrigger RPC-Trigger Driftröhren-Trigger (CSC-Trigger analog) Trigger beruht auf Suche nach Spuren, die zum Vertex zeigen, und Korrelation von mehreren Detektorebenen Spuren mit kleinem pt zeigen nicht zum Vertex (Vielfachstreuung, Ablenkung im Magnetfeld) Spuren aus Zerfällen und Punchthrough zeigen meist auch nicht zum Vertex Punchthrough-Teilchen durchqueren selten mehrere Detektorebenen Seite 23

24 Evolution der Triggeranforderungen Anzahl der Auslesekanäle steigt: Driftkammern: O(1000), Si-Streifen: O(100k-1M) Si-Pixel: O(100M) Kollisions-Raten steigen: LEP: 45kHz Tevatron-II: 2.5MHz HERA: 10MHz LHC: 40MHz Wechselwirkungen pro Kollision steigen: LEP: <<0.001 HERA: 0.01 Tevatron-II: ~1 LHC: 25 => Anforderungen an Trigger und DAQ steigen enorm Seite 24

25 Seite 25 Quelle: Trigger- und DAQ-Trends

26 HERA: 96ns Quelle: Paris Sphicas: Trigger and DAQ Challenges at the LHC Entwicklung der Kollisions-Raten Seite 26

27 Technologie-Trends Seite 27

28 Elektronik ASICS: Application Specific Integrated Circuit. Für eine Anwendung speziell hergestellte Microchips. FPGA: Field Programmable Gate Array. Frei Programmierbarer Logikschaltkreis. Besteht aus programmierbaren Logikblöcken, die frei programmiert werden können. Sehr flexibel. Wieder-programmierbar. Kostengünstig. DSP: Digital Signal Processor. Programmierbarer Chip (CPU), ermöglicht digitale Datenverarbeitung in Echtzeit. Programmierbar in Hochsprache (C). Sehr flexibel. Unterschieden wird hauptsächlich zwischen Gleitkomma FPGA VME Karte: D0 Silicon Track Trigger und Festkomma-DSPs. Implementierung von Elektronik in HEP Experimenten auf speziellen Karten (= multi-layer Platinen), oft als VME oder NIM Einschübe, die eine Kombination der obigen Bauelemente beinhalten + spezielle Bauteile wie externe Speicher, I/O Interfaces, etc. Seite 28

29 Totzeit Totzeit: Zeit, in der keine Ereignisse aufgenommen werden können Ursachen: Vorhergehendes Ereignis stört Messung des nächsten Ereignisses (Beispiel Geigerzähler): In der Regel vernachlässigbar Vorhergehendes Ereignis wartet auf Prozessierung (endgültige Triggerentscheidung, Auslese): Hauptursache bei Collider-Experimenten Beispiel H1: Auslese 1.2ms, 50Hz Ausleserate: 50Hz*1.2ms = 6% Totzeit Totzeit heißt: Beschleuniger läuft umsonst, nutzbare Daten verringern sich => Totzeit kostet Geld (viel Geld!) => drücke Totzeit (LEP: <1%, HERA/Tevatron/LHC: <10%) Seite 29

30 Maßnahmen gegen Totzeit Totzeit: Rate x Totzeit pro Ereignis Maßnahme 1: Begrenze Rate => restriktive Trigger => begrenzt Effizienz (also Physik-Ausbeute!) Maßnahme 2: Wenig Totzeit pro Ereignis mehrstufiger Trigger: verwerfe die meisten Ereignisse vor Auslese schnellere Auslese: mehr parallele Kanäle, frühe Datenreduktion Pufferung: Mehrere lokale Puffer (Pipelines, zykl. Speicher) -> bei L1-Trigger wird auf 2. Pipeline umgeschaltet, Totzeit erst bei 2 Ereignissen kurz aufeinander (2nd order deadtime) Seite 30

31 Trigger-Mix Problem: Finde ausgewogene Mischung von Triggern, um breites Spektrum an Physikanalysen möglich zu machen, bei gegebener max. Triggerrate (Bandbreite) Vorgehen: Teile Bandbreite auf: Trigger mit sehr restriktiven Bedingungen (Mehrere Leptonen mit hohem pt, mehrere Jets mit sehr hohem pt) -> akzeptiere alle Ereignisse Trigger mit etwas niedrigeren Schwelle -> akzeptiere jedes n-te Ereignis (n=2...10) -> Rate und Effektive Luminosität verringert um Faktor n Trigger mit niedriger Schwelle ( minimum bias ) -> akzeptiere jedes n-te Ereignis (n= ) Verteilung der Bandbreite erfordert viel (Verhandlungs)geschick Seite 31

32 Trigger-Strategie bei CMS für die Higgs-Suche Im Standardmodell sind zunächst alle Teilchen masselos. Teilchen erhalten Masse durch den Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung (Higgs-Mechanismus). Suche nach dem Higgs-Boson eines der zentralen Themen am LHC. indirektes Masselimit: mh<189 GeV (95% CL). Suchstrategie bei LHC je nach Higgsmasse: 80 GeV < mh 130 GeV < mh 500 GeV < mh 500 GeV < mh 800 GeV < mh 800 GeV < mh < 140 GeV < 700 GeV < 1000 GeV < 1000 GeV < 1000 GeV < 1000 GeV H -> γγ, H -> bb H -> ZZ(*) -> 4 ( = e, µ) H -> ZZ -> Jets H -> ZZ -> ν H -> WW-> + ν + Jets H -> ZZ-> Jets Seite 32

33 Leichtes (SM) Higgs (mh<140gev): Ereignisse / 500 MeV für 100 fb 1 H -> γγ(bester Kanal für ein leichtes Higgs). Higgssignal mγγ mh = 130 GeV Analyse-Ereignisselektion: 2 isolierte elektromagnetische Cluster, keine passenden Spuren im Tracker Mögliche L1-Triggerselektion: 2 isolierte e/γ Seite 33

34 H->ZZ(*): Der goldene Kanal bei LHC Ereignisse / 2 GeV Mögliche L1-Triggerselektion: 2 oder mehr isolierte e/γ oder µ m(4 ) / GeV mh = 150 GeV Seite 34

35 Ereignisse / 200 GeV H->Leptonen, Jets, (Neutrinos) mh = 800 GeV Signal Untergrund m(2, 2 Jets) / GeV Mögliche L1-Triggerselektion: 2 e/γ oder 2 µ 1 oder 2 Jets Andere Kanäle: 1 oder mehr Leptonen, fehlende Energie, Jets Seite 35

36 Beispiel für SUSY-Signal: Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Mögliche L1-Triggerselektion: Mehrere Leptonen: e/γ oder μ (beliebige Kombinationen) Mehrere Jets Fehlende Energie je nach Zerfallskanal ~~ pp -> qq Seite 36

37 Triggermix bei CMS Ausgangsrate maximal 100 khz (25 bis 30 khz mit Sicherheitsfaktor) - Aufsetzen der Triggertabelle - gleichzeitige Festlegung der Schwellwerte Algorith m u s e N iedrige Lu m. 24 H oh e Lu m. 35 τ+ e Algorith m u s N iedrige Lu m. 80, 14 H oh e Lu m. 125, 20 Algorith m u s µ N iedrige Lu m. 10 H oh e Lu m. 25 ee j+ e 125, , 20 µ 3 8, 5 τ ET miss µe 4, 12 5, 32 τ e+ ET miss 12, , 250 µ 4, 80 5, 140 j jj τ jj jjjj miss j+ ET e (n. isol.)ee (n. isol.) ΣET 65, , miss µ+ j µ µ+σet µ+ ET τ G esam trate 4, 80 4, 600 4, kh z 5, 155 5, 800 5, kh z Niedrige Luminosität: 1033 cm-2 s-1 Hohe Luminosität: 1034 cm-2 s-1 Schwellwerte in GeV Seite 37

38 Datenakquisition (DAQ: Data Acquisition) Trigger liefert Signal Interessantes Ereignis - Auslesen! 1. Stufe: Lokaler Prozessor liest Daten der ihm zugeordneten Kanäle aus: variiert stark je nach Art des Detektors, einige 100 bis einige Kanäle In der Regel: Datenreduktion, z.b. Hit-finding Daten werden formatiert und mit Identifikation (Ereignisnummer) versehen 2. Stufe: Daten werden an zentrales System ( event builder ) weitergereicht Event builder sammelt Daten aller Subsysteme, bildet komplette Datenstruktur eines Ereignisses, schreibt Ereignis weg Seite 38

39 DAQ bei CMS 40 MHz COLLISION RATE LEVEL 1 TRIGGER khz DETECTOR CHANNELS Charge Time Pattern Herausforderung: 16 Million channels 3 Gigacell buffers Energy 1 GHz Input WW Tracks 1 Terabit/s 200 GB buffers READOUT 50,000 data channels ~ 400 Readout memories EVENT BUILDER. 500 Gigabit/s SWITCH NETWORK processors organized into many farms convenient for on line and off line applications. Gigabit/s Computing Services SERVICE LAN A large switching network ( ports) with total throughput ~ 400Gbit/s forms the interconnection between the sources (deep buffers) and the destinations (buffers before farm CPUs). ~ 400 CPU farms EVENT FILTER. A set of high performance commercial 100 Hz FILTERED EVENT Beam crossing alle 25 ns mit ~17 Wechselwirkungen produziert über 1 MB Daten! 1 MB EVENT DATA 5 TeraIPS Petabyte ARCHIVE Archivierung von 1MB Ereignissen bei ~100 Hz. Seite 39

40 Beispiel ATLAS: Subsysteme Seite 40

41 Datenraten, Datenmengen Beispiel H1: 20Hz akzeptierte Ereignisse, ca. 250kB/event: 5Mbyte/s => Ein Jahr (107s): ca. 200M events, 50TB Daten Beispiel CMS: 100Hz akzeptierte Ereignisse, ca. 1MB/event: 100Mbyte/s => Ein Jahr (107s): ca. 1G events, 1000TB(=1PB) Daten Monte-Carlo-Produktion: ähnlich viel, z.t. mehr (H1: Mevents pro Monat!), aber: speichere nur den Teil der Daten, der für Analyse benötigt wird (ca. 20kbyte/event) => Hochenergiephysik benötigt Gigantische Datenmengen Sehr große Rechenleistung Schnelle Netzwerke Seite 41

42 Zusammenfassung Ein guter Trigger ist entscheidend für den Erfolg eines Experimentes: Was man nicht triggert, kann man nicht analysieren! Der Feind des Triggers: Totzeit => brauche schnelle Systeme, große Bandbreiten Limitierungen: Wie klein kann man die Totzeit pro Ereignis machen? Wie große Datenmengen kann man innerhalb des Experiments (online) transportieren? Wie große Datenmengen kann man online verarbeiten? Wie schnell kann man Daten wegschreiben? Wie große Datenmengen kann man offline speichern und verarbeiten (analysieren)? Hochenergiephysik nutzt und treibt die Entwicklung von großen Prozessorfarmen, schnellen Netzwerken, verteiltem Rechnen (GRID) Seite 42