The CMS Trigger ClaudiaElisabeth Wulz Institute for High

The CMS Trigger Claudia-Elisabeth Wulz Institute for High Energy Physics, Vienna LHC Days in Split 10 Oct. 2002

Cross Sections and Rates Cross sections for different processes vary by many orders of magnitude • inelastic: • W -> ln: • tt: • Higgs (100 Ge. V): • Higgs (600 Ge. V): 109 Hz 100 Hz 10 Hz 0, 1 Hz 0, 01 Hz Required selectivity 1 : 10 10 - 11 Trigger

Principle of Triggering T( ) Event accepted? YES NO Successive steps Depends on Event type Properties of the measured trigger objects e/g, , hadronic jets, t-Jets, missing energy, total energy Trigger conditions: according to physics and technical priorities Trigger objects (candidates):

CMS Detector (Compact Muon Solenoid)

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

Conventional Concept with 3 Steps Investment in specialized processors, control

CMS Concept with 2 Steps Advantages: Fewer components, scalable Investment in band width and commercial components

Evolution of Trigger Requirements ATLAS/CMS: Rather high rates and large event sizes Interaction rates: ~ Factor 1000 larger than at LEP, ~ Factor 10 larger than at Tevatron

Level-1 Trigger Only calorimeters and muon system involved Reason: no complex pattern recognition as in tracker required (appr. 1000 tracks at 1034 cm-2 s-1 luminosity), lower data volume Trigger is based on: Cluster search in the calorimeters Track search in muon system

Architecture of the Level-1 Trigger

Strategy of the Level-1 Trigger Local • Energy measurement in single calorimeter cells or groups of cells (towers) • Determination of hits or track segments in muon detectors Regional • Identification of particle signature • Measurement of p. T/ET (e/g, , hadron jets, t-jets) • Determination of location coordinates (h, f) and quality Global • Sorting of candidates by p. T/ET, quality and retaining of the best 4 of each type together with location and quality information • Determination of SET, HT, ETmissing, Njets for different thresholds and h ranges • Algorithm logic • thresholds (p. T/ET, NJets) • geometric correlations - e. g. back-to-back events, forward tagging jets - more detailed topological requirements optional - location information for HLT - diagnostics

Level-1 Calorimeter Trigger Goals Identify electron / photon candidates Identify jet / t-jet candidates Measure transverse energies (objects, sums, missing ET) Measure location Provide MIP/isolation information to muon trigger e/g Jet h f

Local / Regional Electron/Photon Trigger primitive generator (local) Flag max of 4 combinations (“Fine Grain Bit”) Regional calorimeter trigger ET cut Hit +max of Longitundinal cut hadr. /electromagn. ET / Hadronic and electromagnetic isolation < 2 Ge. V > ET threshold < 0. 05 One of < 1 Ge. V Electron / photon

Local / Regional Electron/Photon Trigger primitive generator (local) Flag max of 4 combinations (“Fine Grain Bit”) Hit +max of > ET threshold

Jet / t Trigger § Jet ET is obtained from energy sum of 3 x 3 regions sliding window technique, seamless coverage up to |h| < 5 § Up to |h| < 3 (HCAL barrel and endcap) the regions are 4 x 4 trigger towers Narrow jets are tagged as t-jets in tracker acceptance (|h| < 2. 5) if ET deposit matches any of these patterns {

Muon Trigger Detectors Drift Tube Chambers and Cathode Strip Chambers are used for precision measurements and for triggering. Resistive Plate Chambers (RPC’s) are dedicated trigger chambers.

Local Muon Trigger Drift Tube Chambers Cathode Strip Chambers Superlayer Vector of 4 hit cells Comparators allow resolution of 1/2 strip width Station Correlator combines vectors to track segment 6 hit strips Form track segment

Regional DT/CSC Muon Trigger (Track Finder) ETA track Finder!! Trigger relies on track segments pointing to the vertex and correlation of several detector planes Drift Tube Trigger (CSC Trigger similar) • Spuren mit kleinem p. T zeigen nicht zum Vertex (Vielfachstreuung, Ablenkung im Magnetfeld) • Spuren aus Zerfällen und Punchthrough zeigen meist auch nicht zum Vertex • Punchthrough / Sailthrough-Teilchen durchqueren selten mehrere Detektorebenen

Regional RPC Muon Trigger RPC-Trigger is based on strip hits matched to precalculated patterns according to p. T and charge. 4/4 High p. T 3/4 For improved noise reduction algorithm requiring conincidence of at least 4/6 hit planes has been designed. Number of patterns is high. FPGA solution (previously ASICs) seems feasible, but currently expensive. Solutions to reduce number of patterns under study. Low 3/4 p. T 4/4

Global Muon Trigger DR/CSC/RPC: combined in Global Muon Trigger Optimized algorithm (no simple AND/OR_ with respect to • efficiency -> Make use of geometry + quality • rates • ghost suppression

L 1 single & di-muon trigger rates Trigger rates in k. Hz 50 k. Hz DAQ 4 k. Hz for , 12, 8; 8 e. W =91. 4 % e. Z =99. 7 % e. Bs =14. 5 % 14, -; e. W =89. 6 % e. Z =99. 8 % e. Bs =27. 1 % |h| < 2. 1 100 k. Hz DAQ 8 k. Hz for , 20, 6; 6 e. W =82. 3 % e. Z =99. 6 % e. Bs = 9. 9 % 25, 5; 5 e. W =74. 1 % e. Z =99. 5 % e. Bs =14. 3 % working points compatible with current L 1 p. T binning L = 2 x 1033 cm-2 s-1 L = 1034 cm-2 s-1

Global Trigger Physics requirements The trigger decision is taken according to similar criteria as in data analysis: • Logic combinations of trigger objects sent by the Global Calorimeter Trigger and the Global Muon Trigger Best 4 isolated electrons/photons Best 4 non-isolated electrons/photons Best 4 jets in forward regions Best 4 jets in central region Best 4 t-Jets Total ET of all good jets Missing ET 12 jet multiplicities Best 4 muons ET, h, f ET, h, f SET HT ETmissing, f(ETmissing) Njets (different ET thresholds and h-regions) p. T, charge, f, h, quality, MIP, isolation • Thresholds (p. T, ET, NJets) • Optional topological and other conditions (geometry, isolation, charge, quality)

Algorithm Logic in Global Trigger Object Conditions Logical Combinations 128 flexible parallel running algorithms implemented in FPGA’s. Trigger decision (Level-1 -Accept) is a function of the 128 trigger algorithm bits (for physics). 64 more technical algorithms possible.

Global/Central Trigger within ATLAS and CMS Algorithmbits Thresholds already set in calorimeters and muon system. The Central Trigger Processor receives object multiplicities. It does not receive location information, therefore topological conditions are impossible. Separate Ro. I electronics for the Level-2 Trigger is necessary. Algorithm and input bits Thresolds set in Global Trigger. The processor receives objects with location information, therefore topological conditions are possible. Special HLT algorithms or lower thresholds can be used for selected event categories. Sorting needs some time, however.

Standardmodell-Higgs Das Standardmodell beschreibt bis jetzt die Natur sehr gut, es hat aber einige theoretische Unzulänglichkeiten, darunter: • keine echte Vereinigung aller Kräfte (QW aus Experiment, keine Gravitation etc. ) • Problem der Massen nicht gelöst, nur auf Higgsmechanismus verschoben • Natürlichkeit: Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse der O(m. H) Bei LEP (√s ≤ 209 Ge. V) wurden mögliche Higgskandidaten gefunden. Offizielles Resultat: m. H > 114. 1 Ge. V Suchstrategie bei LHC je nach Higgsmasse: 80 Ge. V < m. H < 140 Ge. V H -> gg, H -> bb 130 Ge. V < m. H < 700 Ge. V H -> ZZ(*) -> 4 l (l = e, ) 500 Ge. V < m. H < 1000 Ge. V H -> ZZ -> 2 l + 2 Jets 500 Ge. V < m. H < 1000 Ge. V H -> ZZ -> 2 l + 2 n 800 Ge. V < m. H < 1000 Ge. V H -> WW-> l + n + Jets 800 Ge. V < m. H < 1000 Ge. V H -> ZZ-> 2 l + 2 Jets

Ereignisse / 500 Me. V für 100 fb-1 H -> gg m. H = 130 Ge. V Analyse-Ereignisselektion: 2 isolierte elektromagnetische Cluster, keine passenden Spuren im Tracker Higgssignal mgg Mögliche L 1 -Triggerselektion: 2 isolierte “e/g”

H -> ZZ(*) -> 4 Leptonen Ereignisse / 2 Ge. V Mögliche L 1 -Triggerselektion: 2 oder mehr isolierte “e/g” oder m. H = 150 Ge. V m(4 l) / Ge. V

Ereignisse / 200 Ge. V H -> Leptonen, Neutrinos, Jets m. H = 800 Ge. V Signal Untergrund m(2 l, 2 Jets) / Ge. V Mögliche L 1 -Triggerselektion: 2 “e/g” oder 2 1 oder 2 Jets Andere Kanäle: 1 oder mehr Leptonen, fehlende Energie, Jets

H -> WW -> ln + ln für m. H ~ 2 m. W Für m. H = 170 Ge. V ist das Verzweigungsverhältnis ca. 100 mal größer als für H>ZZ*->4 l. Durch Ausnützung von W+W- -Spinkorrelationen kann man “irreduziblen” Untergrund unterdrücken. Man sucht nach l+l- Paaren mit kleinem Öffnungswinkel. Mögliche L 1 -Triggerselektion: 2 “e/g” oder 2 Option: |Df| < 450

Supersymmetrische Higgs-Teilchen Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) gibt es 5 Higgs-Bosonen: h 0, H 0, A 0 and H±. Man braucht 2 Parameter zur Bestimmung der Eigenschaften: m. A, tanb. Bei großem m. A sind die Kopplungen des h 0 ähnlich wie im SM. Die Kopplungen von A und H an Quarks mit Ladung 1/3 und Leptonen sind für großes tanb erhöht. A koppelt nicht an WW, ZZ. Kopplungen von H an WW und ZZ für große m. A und tanb sind unterdrückt. Die folgenden Zerfallskanäle sind wie für das SM-Higgs zu behandeln: h, A -> gg (für m. A < 2 mt wegen des Verzweigungsverhältnisses), h -> bb h, H -> ZZ* (kein H -> ZZ bei großer Masse, da Verzw. verh. zu klein) Die folgenden Zerfallskanäle öffnen sich: H, A -> tt, (t-Kanäle im Vergleich zum SM wichtig für große tanb) A -> tt; (H, A -> hh; A -> Zh) - supersymmetrische Teilchen A, H -> H± -> tn, tb Vektorbosonfusionskanäle qq -> qq. Higgs ebenfalls möglich: mit h, H -> tt; H -> gg; h, H -> WW -> llnn; h -> c 0 c 0 ~~

h 0, HSM -> bb Nur assoziierte Produktion aufgrund von Problemen mit Trigger und Untergrund! Analyse-Ereignisselektion: 1 isoliertes e or m, 6 Jets von denen mindestens 4 ein b-tag haben müssen. Rekonstruktion beider t’s durch kinematischen Fit nötig um kombinatorischen Untergrund zu unterdrücken. Resultat für m. H = 115 Ge. V: S/√B = 5. 3, Dm/m. H = 3. 8% Mögliche L 1 -Triggerselektion: 1 isoliertes Lepton und mehrere Jets Ereignisse / 10 Ge. V - - ± tth(H) -> l nqqbbbb m. H = 115 Ge. V minv (Jet, Jet) /Ge. V

H, A -> tt Zugängliche Endzustände: t (-> enent) t (-> n nt) t (-> h± p 0’s nt) t (-> lnlnt) t (-> h± p 0’s nt) t (-> hm p 0’s nt) Ereignisse / 5 Ge. V Aufgrund der hohen Rate überspannt dieser Kanal einen weiten Parameterbereich. 10 fb-1 bei 1033 cm-2 s-1 Mögliche L 1 -Triggerselektion: 1 e/g oder 1 t-Jet Fehlende Energie

Squarks, Gluinos Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Mögliche L 1 -Triggerselektion: Mehrere Leptonen: “e/g” oder (beliebige Kombinationen) Mehrere Jets Fehlende Energie je nach Zerfallskanal pp -> ~~ qq

~ ±c ~ 0: Beispiel für Drell-Yan-Produktion von c 1 2 ± 0 0 ± 0 + ~2 -> ~c 1 l n + c~1 l l qq -> W* -> c~1 c c~20 -> l~±lm -> c~10 l+loder Ereignisse / 5 Ge. V Charginos, Neutralinos, Sleptonen c 20 -> c 10 l+l~ ~ SMUntergrund Endzustand mit 3 l + fehlender Energie, keine Jets Mögliche L 1 -Triggerselektion: Mehrere Leptonen: “e/g” oder (2 oder 3, beliebige Kombination) Fehlende Energie Jetveto

Raten und Algorithmen • Ausgangsrate maximal 100 k. Hz (25 bis 30 k. Hz mit Sicherheitsfaktor) - Aufsetzen der Triggertabelle - gleichzeitige Festlegung der Schwellwerte Niedrige Luminosität: 1033 cm-2 s-1 Hohe Luminosität: 1034 cm-2 s-1 Schwellwerte in Ge. V

Zeitliche Anforderungen • Triggerentscheidung durch globalen Trigger alle 25 ns - jede Strahlkreuzung muß betrachtet werden - Level-1 -Accept je nach Triggerregeln (Registrierung der Totzeit, < 1%) • Rechenzeit klein im Vergleich zur gesamten Level-1 -Latenzzeit (3, 2 s) - 200 ns (8 Strahlkreuzungsintervalle)

Effizienzen fuer mu kein Technische Anforderungen Problem, jedoch evtl. fuer Jets aus • Technische m. SUGRA fuer Trigger zusätzlich zu Physiktriggern - Kalibration, Synchronisation, Tests hohe Lumi • Effizienzen für jeden Triggeralgorithmus müssen bestimmbar sein - durch überlappende Trigger (niedrigere Schwellen, Unterdrückung von Korrelationen etc. ) - Kontrolle durch Monte-Carlo • Triggerung von Prozessen mit hohen Raten mit Skalenfaktor • Physikalische und technische Überwachung durch on-line und off-line Monitoring • Triggerentscheidung muß nachvollziehbar sein - Aufzeichnung der Triggerdaten jedes Ereignisses - Aufzeichnung von Ereignissen, die nicht triggern würden (optionell) - Aufzeichnung von Ereignissen vor und nach der Trigger-Strahlkreuzung (optionell)

Die Umgebung des globalen Triggers Für die Physikdatennahme verwendet der globale Trigger nur Information der Kalorimeter und des Müonsystems. Sie besteht aus speziellen makrogranularen Triggerdaten. Die volle Information steht erst dem Higher Level Trigger zur Verfügung. Spezielle Signale von allen Subsystemen können für Kalibrations-, Synchronisations- und Prüfzwecke verwendet werden (technische Trigger). Das TTC-System ist ein optisches Verteilernetzwerk, das zur Übertragung des Level-1 Accept- Signals (L 1 A) und von Zeitinformation (LHC clock etc. ) zwischen dem Trigger und der Detektorelektronik dient. Das Triggersteuersystem steuert die Ausgabe von L 1 A-Signalen und “Bunch Crossing Zero” sowie “Bunch Counter Reset” Befehlen. Die Möglichkeit der Reduzierung der Triggerrate im Fall von imminenter Speicherüberbelegung ist vorgesehen. Der “Event Manager” steuert den High Level Trigger und die Datenakquisition.

Zusammenfassung • Konzept des Level-1 -Triggers und insbesondere des globalen Triggers von CMS vorgestellt • Der globale Trigger eignet sich zur Selektion der physikalisch interessanten Ereignisse • Durch sein spezielles Design, das komplexe Triggerbedingungen erlaubt, ermöglicht er die Auszeichnung besonders interessanter Ereignisse bei gleichzeitiger Unterdrückung von Untergrund • Protokollauszug der Sitzung des Large Hadron Collider Committee (LHCC) vom 21. -22. März 2001: http: //committees. web. cern. ch/Committees/LHCC 51. html “The concept of the L 1 trigger built around the topological association of predefined elements associated with leptons, photons, jets and missing energy is well suited to the challenge of triggering in a flexible and responsive manner. ”

High Level Trigger Goals u Validate Level-1 decision u Refine thresholds u Refine measurement of position and other parameters u Reject backgrounds u Perform physics selection

High Level Trigger Challenges Rate reduction Design input rate: 100 k. Hz (50 k. Hz at startup with luminosity 2 x 1033 cm-2 s-1), i. e. 1 event every 10 s. Safety factor of 3: 33 k. Hz (16. 5 k. Hz). Output rate to tape: order of 100 Hz Reduction factor: 1: 1000 Allocation of input bandwidth to four categories of physics objects plus service triggers (1 or 0. 5 k. Hz): - electrons/photons (8 or 4 k. Hz) - muons (8 or 4 k. Hz) - t-jets (8 or 4 k. Hz) - jets + combined channels (8 or 4 k. Hz) Algorithms The entire HLT is implemented in a processor farm. Algorithms can almost be as sophisticated as in the off-line analysis. In principle continuum of steps possible. Current practice: level-2 (calo + muons), level-2. 5 (pixels), level-3 (tracker), full reconstruction.

High Level Trigger and DAQ Challenges Processing time Estimated processing time: up to 1 s for certain events, average 50 ms About 1000 processors needed. Interconnection of processors and frontend Frontend has O(1000) modules -> necessity for large switching network. Bandwidth Average event size 1 MB -> For maximum L 1 rate need 100 GByte/s capacity.

Electron/Photon HLT Algorithms “Level-2. 0” Only calorimeter information used. Algorithm based on clustering of energy deposits in crystals (barrel) and crystals / 3 X 0 preshower (endcaps) and subsequent estimation of ET and position. Energy corrections for unrecovered bremsstrahlung are applied (also already at L 1). “Level-2. 5” Matching with pixel detector hits. Separate streams for electrons and photons. Lower ET thresholds for electrons than photons.

Electron/Photon HLT Algorithms “Level-3” Include full tracker information, starting from Level-2. 5 pixel seeds. E/p matching for electrons. Check on hadronic energy vs em. energy depositions. At high luminosity isolation cuts are used to reject background from jets. Track isolation less sensitive to pileup than calorimeter isolation. Table with efficiencies for W and H -> gg TOBEDONE

HLT Algorithms for Jets and n-like Objects “Level-2” xxx

HLT Algorithms for t’s “Level-2” xxx

HLT Algorithms for ’s “Level-2” xxx

Conclusions “Level-2” xxx

Acknowledgments - my colleagues in CMS and at HEPHY Vienna, especially D. Acosta, J. Erö, S. Dasu, N. Neumeister, H. Sakulin, W. Smith, G. Wrochna, A. Taurok. - to the Organizing Committee of LHC Days in Split for the invitation and the enjoyable workshop.