Commissioning du systme de dclenchement de niveau 1

Commissioning du système de déclenchement de niveau 1 calorimètre du détecteur ATLAS Damien Prieur Rutherford Appleton Laboratory - STFC Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 1

Sommaire Le LHC & le détecteur ATLAS Le système de déclenchement Niveau 1 Calorimètre Commissioning & rayons cosmiques Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 2

Le Large Hadron Collider - LHC Collisions pp à √s = 14 Te. V Période de croisement: 25 ns 1011 protons par paquet Luminosité initiale: L 0 = 1031 cm-2 s-1 (L = 50 pb-1/an) Basse luminosité : L 0 = 1033 cm-2 s-1 (L = 10 fb-1/an) Luminosité nominale: L 0 = 1034 cm-2 s-1 (L = 100 fb-1/an) Premières collisions: été 2008 4 Détecteurs: ATLAS & CMS: collisions p-p, modèle standard et au delà LHCb: collisions p-p, physique du B, violation de CP ALICE: collisions ion-ion/p-ion, plasma quark-gluon Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 3

Le détecteur ATLAS Caractéristique du détecteur Détecteurs internes Spectromètre à muons Les calorimètres Monitored (MDT) Longueur: 44 m, Tubes Diamètre: 22 m Détecteur àDrift pixel Electromagnétique Cathode Strips Chambers (CSC) Poids: 7000 t Semi-Conductor Tracker (SCT) Hadronique Resistive Plate Chambers (RPC) Transition Radiation Tracker (TRT) Thin Gap Chambers (TGC) Solénoïde 2 T 8 aimants toroïdaux Point d’interaction des faisceaux Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 4

Sections efficaces & taux de production Section efficace p-p inélastique: 70 mb 23 collisions par croisement (1034 cm-2 s-1) Empilement d’événements 109 interactions/s (haute luminosité) Besoin d’une sélection pour ne garder que les évènements importants Prospection de processus à faible xs Facteur de réjection 1012 (H 120 Ge. V) Chercher un aiguille dans une botte de foin… Limites technologiques: Taille évènement: 1. 5 Mb Débit de stockage: 300 Mb/s Réduction du taux d’acquisition de 40 Mhz à 200 Hz Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 5

Stratégie de déclenchement L 1 Rutherford Appleton Laboratory trigger L 1 A. 75 k. Hz CTP <2. 5 s ROD ROD Ro. IB L 2 SV Software L 2 N Level-2 <40 ms 120 Gb/s Ro. I requests Ro. I Data L 2 A. 2 k. Hz ROB ROB DAQ trigger Regions of Interest (Ro. I) ~500 dual CPUs Granularité complète Régions d’intérêt (~2%) Latence ~40 ms L 2 A 2 k. Hz ~1600 dual CPUs Evènement complet & accès aux données d’étalonnage Reconstruction plus raffinée Algorithme offline Latence ~1 s 200 Hz MUONS Level-1 L 2 Event Filter (L 3) CALO Det. readout 40 MHz hardware Electronique dédiée (ASICS & FPGAs) Calorimètres & muons Latence 2. 5 s L 1 A 75 k. Hz Calorimeters Other Muons detectors ROS 3 Gb/s Event Builder Full events ~1 s Event Filter High-level Trigger Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 EF Acc. 200 Hz EFN 300 Mb/s 6

Déclenchement de Niveau 1 (L 1) 3 sous-systèmes L 1 - Calorimètres (L 1 Calo) L 1 - Muons Central Trigger Processor (CTP) Identification de signatures e/ , /h, /h jets, jets Multiplicité par seuils en p. T Critères d’isolation ET manquante, ET totale, ET jet LAr Tile Preprocessor Cluster Processor e/ , /h Jet/Energy Processor jets , ET Rutherford Appleton Laboratory TGC Muon Barrel Trigger Muon Endcap Trigger Muon-CTP Interface Central Trigger Processor Ro. IB CTP Chef d’orchestre… RPC Detector readout Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 L 2 supervisor 7

Central Trigger Processor (CTP) Reçoit, Reçoit synchronise et aligne les informations de déclenchement Autres signaux: Déclenchement aléatoire Etalonnage Evénement de biais minimum (MBTS) Génère la décision de niveau 1 (L 1 A) Menu de déclenchement programmable Latence 100 ms (4 BC) Distribue le L 1 A aux sous détecteurs Entrées # Seuils Menu Pre. Scale Mask Muons 6 x 3 bits 1 MU 10 & 1 EM 15 1 1 EM 8 x 3 bits 1 EM 1 1 1 Hadrons 8 x 3 bits 1 TAU 6 1 1 Jets 8 x 3 bits 1 J 4 1 1 ET miss 8 bits NIM 0 1 1 Jet ET 4 bits RNDM 0 1 1 Et totale 4 bits RNDM 1 2 1 … … 1 0 160 entrées 256 items Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 L 1 A 8

L 1 calorimètres - Architecture L 1 Calo partitionné en 3 sous systèmes Pré-Processeur (PPM) Reçoit signal analogique en provenance des calorimètres et l’échantillonne Granularité réduite (Tours de déclenchement) Identification croisement (BCID) Reconstruit ET Processeurs JEM & CPM Exécute algorithmes de physique Recherche & Identification: § leptons isolés, taus § jets Calcule ET totale, manquante, … Chaque module transmet ces informations en temps réel au CTP DAQ + Ro. Is à chaque L 1 A (100 k. Hz) Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 9

Tours de déclenchement (TT) LAr Tuiles (segmentation semi-projective) 3584 x 2 (EM+HAD) tours de déclenchement Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 Position x | |< 2. 5 0. 1 x 0. 1 2. 5 <| |< 3. 1 0. 2 x 0. 2 3. 1 <| |< 3. 2 0. 1 x 0. 2 3. 2 <| |< 4. 9 0. 4 x 0. 4125 10

Pre-Processor Module – Reconstruction de l’énergie Receveurs (Rx) Prépare signal pour transmission au L 1 (2, 5 V 250 Ge. V) Gain variable Conversion E ET Monitorage local du signal PPM 10 Echantillonnage 40 Mhz, Flash-ADC 10 bits 1 ADC = 250 Me. V Piédestal 40 ADC a 4 a 3 a 2 a 1 a 0 Identification du croisement de faisceaux (BCID) + Détermine position maximum du signal (linéaire/saturé) Filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR) Assigne ET au ‘bon’ croisement de faisceaux Etalonnage ET 255 10 Eseuil 1023 Rutherford Appleton Laboratory 8 Look-Up Table (LUT) Soustraction piédestal, suppression bruit Conversion ADC (10 b) Ge. V (8 b) Transmission Processeur & DAQ 5 échantillons du signal (5 x 10 b) & ET (8 b) Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 11

Etalonnage des pré-processeurs Réglages en temps: Pour assurer que les données relatives à 1 évènement sont: § échantillonnées correctement (3ème échantillon au maximum) § envoyées aux processeurs de façon synchrone § lues correctement par DAQ à chaque L 1 A Procédures automatiques “PHOS 4 scan” - Echantillonnage par pas de 1 ns Différentes stratégies en fonction de l’origine du signal (étalonnage, cosmiques, collisions, …) Rutherford Appleton Laboratory 6 Ge. V Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 40 ADC 1023 Procédures en cours de développement ! Filtre FIR: § Optimise rapport signal/bruit § Pas de filtrage pour le moment (00100) Conversion ADC Ge. V (LUT) § “Energy scan” § Pas de procédure automatique § Soustraction du piédestal de 40 ADC § ET = ADC/4 (1 ADC 250 Me. V) § Seuil de 6 Ge. V 255 Energie: 12

Installation & Commissioning Système complètement installé dans USA 15 depuis Janvier 2008 Production des modules achevée Dernier modules installés Fin du câblage Phase de commissioning Tests du système Procédure d’étalonnage avec les calorimètres Analyse de données provenant de rayons cosmiques Muons cosmiques: Fonctionnement & stabilité des modules/processeurs in situ Compréhension de la chaîne d’acquisition: § Analogique & digitale § Comparaison Calorimètres/L 1 Calo Tests de déclenchement muons preuve du fonctionnement du L 1 Calo Plusieurs campagnes (Mx) d’intégration & de prise de données Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 13

Un muon cosmique… Run 29576 Argon liquide L 1 Calo - HAD Tuiles Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 14

Corrélation de l’énergie avec les calorimètres Comparaison de l’énergie reconstruite par L 1 Calo avec les calorimètres Partie tonneau: |η|<1. 3 ELAr = (EPS +EM +EB); ETuile = ( EA +EBC +ED/2) Gain des receveurs: 2 Lar : conversion E ET Tuiles: mesure E directement Run 32837 (M 5) Résultats préliminaires mais bonne corrélation ! Nécessite un réglage en temps Calo/L 1 Calo correct Premiers muons vus par le Lvl 1 -Calo ! Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 15

Menu & taux de déclenchement 1 rate (Hz) 1 J 4 1 TAU 6 1 EM 1 M 6 Run de 8 heures (1 luminosity block: 5 minutes) 0 99 luminosity block 9 k. Hz rate (Hz) RNDM 0 Changement pré-scale RNDM trigger (LB=13, 25) Taux de déclenchement L 1 Calo stable 83% 1 J 4 + 1 TAU 6 1 J 4 + 1 EM 1 1 J 4 5% 1 TAU 6 0 1 EM 1 Rutherford Appleton Laboratory 11% luminosity block 99 Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 16

Conclusions & Perspectives… Système complètement installé depuis Janvier 2008 Beaucoup de tests et de runs techniques réalisés avec les sous détecteurs Qualité signal, câblage, … Intégration avec autres sous détecteurs Campagnes de commissioning dédiées (Mx runs) Implication croissante, beaucoup de progrès Expérience du système grandissante Synchronisation inter systèmes (non trivial) Maîtrise du taux de déclenchement, diminution des seuils Objectifs: Système opérationnel pour le démarrage du LHC § pas d’erreur dans la partie digitale § réglage en temps & étalonnage raisonnable § +95% des canaux actifs Développement stratégies & procédures d’étalonnage Performance § efficacité du déclenchement § correction canaux morts… Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 17

Merci de votre attention ! Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 18

B A C K U P. . . Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 19

Sections efficaces & taux de production – I Section efficace p-p inélastique: 70 mb -> 109 interactions/s (haute luminosité) Processus Paires bb Paires tt W en Z ee Higgs (150 Ge. V) Gluino (1 Te. V) Squarks Taux (1034 cm-2 s-1) 5 x 106 s-1 8 s-1 150 s-1 15 s-1 0. 2 s-1 0. 03 s-1 Le LHC est une usine à W, Z, top: lots de données importants, étude des effets systématiques faibles erreurs statistiques, mesures de précision recherche de processus rares Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 20

Les calorimètres Calorimètre hadronique à tuiles Calorimètre électromagnétique - Bouchon Calorimètre hadronique - Bouchon Cryostat Calorimètre électromagnétique - Tonneau Calorimètre vers l’avant Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 21

Non-Sorting compression method 10 b 5 x 10 b FADC samples 40 44 54 49 50 bits 45 Compression Menu 3 b position Find minimum 40 44 54 49 45 A B C D E A Samples subtraction Find matching item in Compression Menu B-A C-A D-A + 000 E-A 3 b position 40 4 14 9 5 6 b 3 b 4 b 4 b 3 b 000 6 b 3 b 4 b 4 b 3 b 101000 1110 1001 101 3 b position 001 4 b Comp. Code + 1101 27 bits Larger bit fields are now required to encode FADC data Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 22

ROD/ROS - Compression de données - Noise level scaled by an arbitrary factor - Global factor applied to electronic noise: x 0. 4 x 2 Fixed size format robust to noise level changes Compression factor could be kept above 70% Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 23

Réglage temporel des signaux Temps d’arrivée du signal de physique 3ème échantillon au maximum Estimation du maximum par fit parabolique EM Bunch crossing HAD Bunch crossing Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 24

Pre-Processor Module (PPM) - I Principal composant du système de pré-processeurs 124 PPM identiques dans 8 crates 64 tours de déclenchements par PPM Données traitées par ASIC Transmission série de l’énergie reconstruite aux CP & JEP (temps réel) Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 25

CPM Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 26

JEM Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 27

Formation des Ro. Is Hadronic Trigger Towers (0. 1 x 0. 1) Jet elements (0. 2 x 0. 2) 99 Ge. V 46 Ge. V JEM Ro. I (0. 4 x 0. 4) 53 Ge. V Rutherford Appleton Laboratory Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 28

Piédestaux & bruit électronique Bruit électronique (coups d’ADC) Piédestaux EM Bruit EM: 190 Me. V Mean: 40. 27 5 0 Piédestaux HAD Mean: 40. 22 Bruit HAD: 390 Me. V 0 Rutherford Appleton Laboratory 5 Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 29

Larg timing (offline monitoring) In sequence top/bot: L 1 calo, MBTS, Tile (nim 0), Mu 2, Mu 3 for emeca, L 1 calo Heca l 30