LHC Experimente - Trigger, Datennahme und Computing

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1 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 1 LHC Experimente - Trigger, Datennahme und Computing Datenraten Physiksignale Triggerkonzept von ATLAS LHC Computing Modell

2 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 2 Datenraten bei LHC 20 (40) MHz bunch crossing Rate; mit jeweils ca. 35 Kollisionen > ~ 10 9 Wechselwirkungen pro Sekunde (bei L = cm -2 s -1 ) ATLAS: ca elektronische Kanäle 1-2 MByte Detektordaten pro Ereignis (bunch crossing) (mit aktiver Nullunterdrückung) > Bytes/s ungefilterte Datenrate (~ 10 Milliard. Telefonate ) Datennahme pro Jahr: 10 7 Sekunden (~100 Tage effizient) unmöglich, Daten von B pro Jahr aufzuzeichnen! > Reduzierung des Datenflusses um ca notwendig!!

3 ATLAS at the Large Hadron Collider / CERN Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 3 Length: 44 m Height: 22 m Weight : 7000 t 1800 Physicists & Engineers 150 Institutes 35 Nations elektron. Read out channels 40 MHz collision rate 1014 B/s raw data flux

4 Anzahl aktiver Detektorkanäle bei ATLAS Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 4

5 Physiksignale am Tevatron (pp) / LHC (pp) Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 5

6 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 6 Da Energien der kollidierenden Quarks/Gluonen unbekannt: meistens Beschränkung auf transversale Größen (i.e. zur Strahlachse, wo wegen E-p-Erhaltung gilt: besondere Signatur fast aller interessanter Prozesse: - hochenergetische Hadronen-Jets - hochenergetische Leptonen (e, µ, τ); - fehlende Energie (Neutrinos, Neutralinos.); - Sekundärvertizes (b-quark-zerfälle)

7 Trigger- / Event-rates Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 7

8 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 8 Pile-Up: Trigger-Sprache: mehr als eine p-p collision in einem Ereignis (in time pile-up) Effekte durch benachbarte bunch-crossings bei L = cm -2 s -1 ca. 25 Kollisionen pro bunch-crossing Threshold: Schnitt auf Messgröße, z.b.: Jet pt > 200 GeV Trigger Rate: Selektionsrate von Ereignissen, dominiert von QCD oder junk Pre-scale: behalte nur einen Bruchteil der selektierten Ereignisse Methode um niedrige Schwellen ohne riesige Raten zu haben sinnvoll um performance hoher Schwellen zu untersuchen keine gute Methode um Neue Physik zu entdecken

9 ATLAS: Physikalische Datenraten Und Trigger Entscheidungen Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 9

10 ATLAS Trigger/DAQ System Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 10 higher level Trigger

11 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 11 ATLAS Level 1 Trigger schnelle Identifizierung von grundlegenden Signaturen interessanter Physik Entscheidungen aufgrund des Auftretens von lokalen Trigger-Objekten für verschiedene p T Schwellen: Myonen elektromagn. Cluster (evtl. Mit Isolationskriterien) eng gebündelte Jets (hadr. τ Zerfälle, isolierte Hadronen) hadronische Jets fehlende transversale Energie totale skalar addierte transversale Energie simple Algorithmen für schnelle Entscheidungen (~ 2 µs), basierend auf Grobinformationen von Teildetektoren: µ-trigger chambers und tower summing der Kalorimetereinträge Algorithmen ausgeführt in schneller custom made electronics, z.b. FPGA s

12 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 12 ATLAS Level 1 µ Trigger Messung der Spurkrümmung im Magnetfeld durch Einsatz dreier schneller µ Trigger-Stationen Abweichung der Spursignale von straight-line Extrapolation

13 ATLAS Level 1 Trigger (cont.) während LVL1 Bearbeitung werden alle Daten der Detektorsysteme in pipeline memories gehalten (nahe am Detektor; strahlungsharte Elektronik, > 10 7 elektron. Kanäle!)) LVL1 definiert Regions of Interest (RoIs) als input für LVL2 (markiert Position {η= ln(tan(θ/2), φ} und p T ) LVL1 identifiziert und definiert auch das individuelle bunch crossing (schwierig da Abstand nur 25 ns, ähnlich der Flugzeit durch den Detektor, und viel kürzer als typische Pulslängen die im Kalorimeter gemessen werden) Einstellen der Akzeptanzkriterien, so daß Reduktion von 40 MHz auf max. 75 khz erreicht wird Wenn LVL1 das Ereignis akzeptiert, werden die Daten ausgelesen und formatiert. Derandomizer: sortieren Daten zu Ereignissen; RODs: am Detektor. Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 13

14 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 14 Effizienz des ATLAS LVL1 µtriggers

15 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 15 Effizienz und Raten des ATLAS LVL1 τ Triggers (L = cm -2 s -1 )

16 ATLAS trigger processor Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 16

17 ATLAS trigger-daq racks Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 17

18 ATLAS Level 2 Trigger Überprüfung der durch LVL1 identifizierten Objekte sowie Untersuchung ihrer weiterer Eigenschaften Eingangsinformationen: RoIs Zugriff auf alle Daten in den ROBs, allerdings selektiv entsprechend der RoI Informationen (ca. 1% aller Daten) damit auch Benutzung von anderen Detektoren, z.b. dem zentralen Tracker (SCT, Pixel, TRTs) Kombination der Information aller Detektorsysteme zu mehr spezialisierten Trigger-Objekten > Kandidaten für e, µ, τ, jets, sowie E T miss, E T tot und B-Physik spezifischer Objekte (Sekundärvertex, invariante Masse). durchschnittliche Prozessierungsdauer pro Ereignis: 10 ms läuft auf Prozessorfarm (1000nde PC s) Akzeptanzrate am Ausgang LVL2: ca. 1 khz Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 18

19 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 19

20 ATLAS LVL1 Jet Trigger Efficiency (Oct. 2010) Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 20 arxiv:

21 Beam spot determined by L2 tracking (Oct. 2010) Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 21 arxiv:

22 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 22 Korrelation zwischen trigger- und offline event reconstruction Σ ET L1 EF

23 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 23 ATLAS Event Filter (EF) weitere Präzisierung und Beurteilung der Trigger Objekte Benutzung von offline Algorithmen und Methoden; Benutzung der aktuellsten Kalibrationsdaten; Benutzung von Feldmappen der magnet. Felder Verschärfung der Auswahlkriterien, z.b. p T, Isolation, Sek.-Vertex Prozessorfarm, ähnlich (oder identisch) zu LVL2 Akzeptanzrate von bis zu 200 Hz, > Ausschreiben von Daten auf Datenträger mit ca MB/s

24 ATLAS High-Level-Trigger (HLT) farm 850 PC (CPU: 2 x quad-core) installed = 35% of the final system Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 24

25 ATLAS Level-1 single-object Trigger rates at 7.8 x cm -2 s -1 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing e/γ; > 18 GeV µ; > 15 GeV τ; > 40 GeV ET; > 40 GeV Jet; >75 GeV 25

26 ATLAS Trigger output rates at 6.4 x cm -2 s -1 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 26

27 LHC Data and Computing (Plan 2001) the challenge: 40 MHz collision rate > unfiltered data flow ~ B/s 4 experiments; Hz data taking rate raw event size: 0.12 / 1 / 1-25 MB (LHCb / ATLAS-CMS / ALICE) total raw data storage: 7 PB/a total simulated Data storage: 3.2 PB/a (~10 Billion phone calls) ( Bytes/year; km thick pile of A4-paper) world-wide* tape storage: 28.5 PB/a (40 million CD-Rom s) world-wide* disk storage: 10.4 PB/a (140k disks à 75 GB) world-wide* CPU capacity: 7350 k SI-95 (360k today s PCs) WAN bandwidth (Tier-0/-1): 1500 Mbps (1 experiment) (5000 Mbps when serving all 4 exp. s) * all Tier-0, Tier-1 and Tier-2 computing centres, excl. Tier-3 and -4 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 27

28 The LHC Computing Model (2001) Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 28 Experiments Tier-0 CERN The Grid Tier-1 Region 1 Region 2 Region GridKa3 Region 4 CERN Tier-2 Country 1 Country 2 Country 3 Country 4 Country 5... Tier-3 Lab 1 Uni 2 Uni 3 Lab 4 Uni 5 Lab 6... Tier-4...

29 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 29

30 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS11/12 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 30 LHC-GRID (WLCG): weltweite Vernetzung und Aufteilung der Aufgaben: redundante Speicherung der Daten (Tier-0, -1) Erzeugung (Tier-2) und Speicherung (-1, -2) von Simulations-Daten Datenreduktion; Kalibration (Tier-0) und Kalib.-Datenbänke (-0, -1) Abarbeiten von Analyse-Jobs (Tier-1, -2,...)

31 Computing infrastructure and operation Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 31 ATLAS wlcg world-wide computing: ~ 70 sites (including CERN Tier0, 10 Tier-1s, ~ 40 Tier-2 federations)

32 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 32 +*.! /*&*! 1st pass raw data reconstruction at Tier0 and export reconstruction! Reprocessing at Tier1 "#$%&!!!!!!!'())*+,!!!!!!!!!!!!!-*&*! Physics analysis at Tier2! 7+36$11$/! /*&*! analysis!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! simulation! *%*0,121!345$6&1! "#$%&'(%#)!*+!,-+./(.!%0,/(1! Simulation at Tier1/2 2%&$+*68#$! 79,1261! *%*0,121!

33 Components Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 33

34 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 34 WLCG: installed capacities Normierung: Intel Xeon E5430 mit 8-core 2666 MHZ, 16 GB Ram: HEPSPEC Tier 2:

35 WLCG: usage Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 35 CPU used (HS06-hours/month) ~ 140k CPU continuous use

36 WLCG: usage Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 36 CERN export: 2 GB/s Global transfers > 15 GB/s

37 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 37 Castor data written Data written: Total ~22 PB in 2012 (LHC data) Close to 3.5 PB/month now Expect close to 30 PB in 2012 (15, 23, in 2010,11) Data rates in Castor increased 3-4 GB/s input ~15 GB/s output

38 das Innere eine tape-robots Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 38

39 Physik an höchstenergetischen Beschleunigern WS12/13 TUM S.Bethke, F. Simon V5: Trigger, Datennahme, Computing 39 Literatur / weiterführende Informationen: ATLAS Detector and Physics Performance Technical Design Report Vol. 1, CERN/LHCC The ATLAS Trigger System Commissioning and Performance, arxiv: Expected Performance of the ATLAS Experiment - Detector, Trigger and Physics. arxiv: [hep-ex] The LHC Computing Grid,