Triggersysteme an Hadron Collidern oder Wie in der Physik die Spreu vom Weizen getrennt wird Vanessa Wiedmann Hauptseminar Methoden der experimentellen Teilchenphysik
Inhalt Einleitung Geschichtliches Einfache Triggersysteme LHC Experimente und deren Triggersysteme Weiterentwicklung 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 2
Was sind Trigger und wozu brauch man Sie? Filtern und Selektieren interessante Ereignisse von Untergrund- Ereignissen Daten verwerfen und speichern Große Colliderexperimente produzieren zu große Datenmengen um sie langfristig abspeichern zu können Triggersysteme bestehen aus schnellen Hardware und Softwarebauteilen. Das war jedoch nicht immer so! 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 3
Scannerinnen Erkennen und Ausmessen physikalisch interessanter Spurmuster der Blasenkammerbilder Ende der 70er Jahre durch Entwicklung Vieldraht- Proportionalkammern und Drift- Kammern elektronische Triggerung möglich 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 4
Trigger Elektronik Logische Verknüpfungen AND, OR, NOT usw. Mehrere tausend Logik Operationen auf einem Mikrochip : - Application specific integrated circuits (ASICs) - Field programmable gate arrays (FPGAs) Mehrstufige Triggersystem bei großen Experimenten: - Low Level Trigger - High Level Trigger 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 5
Messung Kosmischer Myonen Myon Szintillator PM1 Photomulitplier Blei PM PM2 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 6
Messung Kosmischer Myonen Aufbau der Elektronik PM1 PM2 & PM VV HV ADC Signal an PM1 & PM2 : Myon wurde detektiert Detektorsignal wird weiterverarbeitet 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 7
Große Colliderexperimente Problem: Hohe Datenfrequenz Totzeit des Triggers 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 8
Große Colliderexperimente Problem: Hohe Datenfrequenz Totzeit des Triggers Lösung: - Zwischenspeicher - Mehrstufige Triggersysteme 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 9
Mehrstufige Triggersysteme Level-1 : Hardware (schnell ~ s Bereich) Level-2 : Software und Hardware (mittelschnell ~10 1 s Bereich ) Level-3 : Software (Kommerzielle Computer) 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 10
ASICs und FPGAs Speziell den Anforderungen entsprechend gebaut. Können im Nachhinein nicht mehr verändert werden Anwendungsbereich in frühen Triggerstufen Standart Chips Selbst und immer um Programmierbar Anwendungsbereich in späteren Triggerstufen 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 11
Was wird getriggert? Informationen aus : - Spurkammer - em Kalorimeter - Hadronischem Kalorimeter - Myonenkammer Fehlende E t und E t 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 12
Signaturen Elektron: em-kalorimeter + Tracker Photon: em-kalorimeter Myon: Tracker + Myonenkammer Jet: em-kalorimeter + Hadronisches Kalorimeter 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 13
Trigger Table Liste der Auswahlkriterien ( Trigger Path ) Wird mindestens ein Kriterium erfüllt wird das Signal weitergeleitet bzw. gespeichert Jede Triggerstufe hat ihre eigene Trigger Table Verschiedene Trigger Tables für niedrige oder hohe Luminosität 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 14
Trigger Table Level-1 Trigger Table CMS Luminosität 2x 10 33 cm -2 s -1 (Erstellt durch Simulationen) 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 15
Trigger Einstellungen Balanceakt : Ereignisrate - Untergrund Schranke ( Trigger Path ) wählen Prescale : Nur ein Bruchteil der Daten wird ausgewertet um maximale Ausgaberate nicht zu überschreiten. Dynamic prescale (DPS) : Rückgekoppeltes System, welches den prescale zum Beispiel anpasst an: - Datenrate und Trigger Bandbreite - Luminosität 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 16
Trigger Einstellungen Dynamic prescale Dynamic prescale change Dynamic prescale change DPS für Datenrate DPS Luminosity enable 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 17
Experimente am LHC CMS ATLAS LHCb ALICE 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 18
Experimente am LHC CMS / ATLAS : - Neue Physik (Higgs, SUSY, extra Dimensionen) LHCb - B-Physik ALICE - Quark-Gluonen-Plasma (Kollisionen von schweren Ionen) Ziele 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 19
Experimente am LHC Datenaufkommen Maximale Luminosität 10 34 cm -2 s -1 Alle 25ns Kreuzung ( bunch crossing ) zweier Protonenpakete Ca. 25 Proton-Proton- Kollisionen pro bunch crossing 1 MB pro Datensatz mit einer Frequenz von 40 MHz 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 20
CMS Triggersysteme Level-1 Trigger: - Clustersuche in den Kalorimetern - Spurensuche im Myonkammern - Tracker nicht beteiligt, da Datenauslese zu langsam Level-2 Trigger: nicht vorhanden Switching Networks: ( Event builder ) Rekonstruieren Event High-Level Trigger : Genauere Untersuchung der Daten aus Kalorimeter, Myonenkammern und Tracker 40 MHz 100 khz 100 Hz 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 21
CMS Triggersystem Level-1 Trigger Hardware befindet sich in der Strahlengeschützen Nebenkammer 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 22
CMS Level-1 Trigger Eigene Detektoren für Triggerung : 25 Detektorkanäle zusammen gefasst zu einem Trigger-Tower Resistive plate chambers (RPC) für Myonen (Bessere Zeitauflösung) Speicherung der Daten in Pipelines für 3 s. Entscheidungszeit des Triggers 1 s Über 99% der Daten werde in der Level-1 Stufe verworfen Positive Level-1 Trigger Entscheidung High Level Trigger 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 23
CMS Level-1 Trigger Global Muon Trigger: Vergleicht Ergebnisse miteinander, eliminiert doppelt gefundene Myonen und gleicht die geometrisch bedingten Unterschiede der Messungen aus. Global Trigger: trifft die Entscheidung, ein Ereignis zu akzeptieren oder zu verwerfen. Trigger Supervisior: Software steuert und koordiniert alle Triggersysteme. 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 24
CMS High-Level Trigger Prozessorfarm: Untersucht vollständigen Datensatz einer Kollision Positive Trigger Entscheidung Daten werden abgespeichert und im GRID-Computing verarbeitet Mehr dazu nächste Woche 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 25
ATLAS Triggersystem 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 26
ATLAS Triggersystem Level-1 leitet nur Daten aus interessanten Regionen des Detektors an Level-2 weiter Eventfilter erhält bei positiver Level-2 Entscheidung kompletten Datensatz des Detektors 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 27
ATLAS Level-1 Trigger Für die Myonen Triggerung eigene resistive plate chambers (RPC) außen und thin gap chambers (TGC) in den Endkappen 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 28
ATLAS Trigger Table Entschlüsselung: 2j90 : Schranke für 2 Jets mit E > 90GeV PS : Prescale Trasp : Transparent Mode HLT : Prescale anhand HLT- Datenrate Luminosität 10 32 cm -2 s -1 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 29
LHCb Triggersystem 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 30
LHCb Triggersystem Level-0 : - Hardware - Erhält Daten mit 10 MHz aus Myonenkammern, Kalorimetern (em und Had) und Vertex- Detektor - Selektiert Teilchen mit hoher E t und p t - Gibt 1,1 MHz an Level-1 weiter Level-1 : - Software (16.000 CPUs) in C++ programmiert - Überprüft Level-0 Entscheidung anhand partieller Ereignis Rekonstruktion Komplette Rekonstruktion und Analyse 2kHz werden abgespeichert 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 31
ALICE Triggersystem 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 32
ALICE Triggersystem Betrieb mit schweren Ionen Luminosität ist um Faktor 10 6 kleiner Nur alle 125 ns bunch crossing Level-0 Datenfrequenz 10 khz Geringere Datenfrequenz! Andere Triggersysteme! 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 33
ALICE Triggersystem Speicherung in Pipelines nicht mehr nötig Level-0 Level-1 Level-2 1kHz High Level Trigger : Computerfarm Hauptinformationen aus TPC (Lange Driftzeit) Past-future protection Bricht Trigger Auslese ab, wenn Daten einer zweiten Kollision ankommen 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 34
Datenanalyse Die Triggerung ist wichtig für den Erfolg eines Experimentes! Was man nicht triggert, kann man nicht analysieren! Crosscheck 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 35
Weiterentwicklung Super LHC höhere Luminosität Auch die Information aus dem Spurdetektor in die Level-1 Stufe einbringen Schnelle Systeme und große Bandbreiten werden benötigt Totzeit 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 36
Ende Danke für die Aufmerksamkeit! Fragen? 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 37
Die Skat-physikalische- Vereinheitlichung 15.01.2010 Vanessa Wiedmann - Triggersysteme an Hadron Collidern 38