Strategie di Trigger per ATLAS e CMS nel 2007 e Introduzione 2. Trigger di primo livello 3. Trigger di livello superiore M.Dallavalle (CMS/Bologna) A.Sidoti (ATLAS/Roma) (Workshop ATLAS-CMS, Bologna, Nov 2006)

1. Introduzione

1.1: Overview dei 2 rivelatori ATLAS Solenoide 2Tesla + Toroidi (barrel + 2 end-cap) CMS Solenoide 4Tesla Diversa struttura magnetica:

1.2: overview dellarchitettura del sistema di trigger di ATLAS e di CMS 75 kHz ~ 2 kHz ~ 200 Hz Rate ~ 10 ms 2.5 s ATLAS: 3 physical levels Livello1 Hardware High Level Triggers (HLT) L2 + Event Filter Software 100 kHz ~100 Hz Level decision latency Level output rate Legenda: 3.2 s 40 MHz Diversa suddivisione delle risorse tra processori e banda di trasmissione

s 900 GeV run - Performance kbkb i b (10 10 )24410 * (m) 11 intensity per beam beam energy (MJ) Luminosity (cm -2 s -1 ) event rate 1 (kHz) W rate 2 (per 24h) Z rate 3 (per 24h) Assuming 450GeV inelastic cross section 40 mb 2.Assuming 450GeV cross section W lν 1 nb 3.Assuming 450GeV cross section Z ll 100 pb Several days ReasonableMaximum TRIGGER SET-UP: LV1 identifica il BX di collisione e accetta tutti gli eventi HLT gira selezione LV1, seleziona eventi per calibrazione fino a ~100Hz From Mike Lamont talk at CMS week 1.3: Aspettative per il Calibration Run di LHC

Info from Mike Lamont talk at CMS week 1.4: Aspettative per il run di LHC nel 2008 Hardware commissioning (Jan-Feb) Machine check-out (~1 month) BEAM 7 TeV commissioning (~2m) PILOT Physics run (~1 month) Steady state run (no definite info) Winter shutdown Dal che: Steady state run e ~ 3 mesi Ipotizzando e duty cycle di 70%, ~500pb -1 per trarre il massimo vantaggio dal run, la calibrazione del trigger deve completarsi il piu possibile entro il Pilot Physics run

Sub-phaseBunchesBun. Int.beta*LuminosityTimeInt lumi First Collisions1 x 14 x m1.6 x hours0.6 nb -1 Repeat ramp - same conditions %1.2 nb -1 Multi-bunch at injection & through ramp - collimation days- Physics12 x 123 x m1.1 x % in physics6 nb -1 Physics43 x 433 x m4.0 x % in physics30 nb -1 Commission squeeze – single beam then two beams, IR1, IR days- Measurements squeezed----1 day- Physics43 x 433 x m7 x days - 6 hr t.a. - 70% eff.75 nb -1 Commission squeeze to 2m collimation etc days- Physics43 x 433 x m3.4 x days - 6 hr t.a. - 70% eff.0.36 pb -1 Commission 156 x day Physics156 x 1562 x m5.5 x days - 6 hr t.a. - 70% eff.0.39 pb -1 Physics156 x 1563 x m1.2 x days - 5 hr t.a. - 70% eff.2.3 pb days total 3.1 pb -1 Pilot Physics run in 2008 From Mike Lamont talk at CMS week Condizioni di run che cambiano rapidamente

Memo: banda max Lv1 Out < 50 KHz (e x2 di sicurezza) HLT Out < 100 Hz : sezioni durto e rates a cm –2 s –1 a cm –2 s –1 e 70% duty c. ~10K W->l per 24h a cm –2 s –1 : LV1: riduzione ~ 1/100; Jet triggers attivi ; trigger leptonici con soglie basse HLT: soglie + alte; trigger correlati tra +rivelatori con soglie basse

1.6: LV1 e HLT: problematiche diverse LHC runs di Calibrazione (2007) e Pilot Physics (2008) sono regimi diversi per il trigger: run 2007= lumi <10^30, rate <50KHz LV1 prendi tutti BX non vuoti (zero bias) o selezione minimum bias HLT riduzione di 1/100 da 10KHz (fisica qualche KHz) fino giu a ~100 Hz (con 1.5GB/evento) algoritmi LV1 + eventi per calibrazione vera selezione HLT e trasparente run 2008= lumi 10^31 LV1 riduzione di 1/100 a 10KHz + BX ID HLT selezioni di fisica giu fino a ~100Hz preparazione per il run 2007: LV1 enfasi sulla SINCRONIZZAZIONE dei rivelatori, trigger di cosmici e beam gas HLT enfasi sulla emulazione degli algoritmi di LV1 e sulle selezioni per la calibrazione dei rivelatori

2. Trigger di primo livello

2.1: Architettura del LV1 di ATLAS e CMS In ATLAS che CMS responsabilita italiana nel trigger muonico CMS calomuon ATLAS calomuon Logica Calo&Muon: Global Trigger in CMS, Central Trigger in ATLAS Final LVL1 Event decision Sent via TTC to FE electronics ROI to LVL2 ROI = Region of Interest

2.2: LV1 trigger menu Identificazione del BX: ritardo noto e costante tra il segnale di trigger e il BX contenente levento che ne e allorigine, indipendente dal rivelatore che lo ha generato. Implica: Sincronizzazione assoluta con LHC, sinc. relativa tra sottorivelatori. input da rivelatori di muoni e calorimetri EM e HAD per segnature semplici di leptoni e jets Mu, e/gamma, jet, tau-jet Una segnatura difficile: missing Et richiede un buon controllo del rumore nei calorimetri Soglie di trigger il piu basse possibile in modo da riempire completamente la banda di 100KHz …128 E S E M P I O

Strategie di Trigger Inclusivi (in particolare per fisica di alto Pt): Coprire fisica di Modello Standard (overlap con Tevatron) e di Fisica Oltre il MS nota (ex MSSM) Essere aperti a Nuova Fisica Margine per: fondi strumentali e di fisica (fondo di caverna e xsec per background di fisica non noti con precisione) Efficienza su dati reali di rivelatori Performances degli algoritmi di selezione su dati reali Trigger chains Physics Measurments Objects Tau + missing E T Jet + missing E T Jets muons photons electrons Extended Higgs models (e.g. MSSM), SUSY SUSY, leptoquarks SUSY, compositeness, resonances Higgs (SM, MSSM), new gauge bosons, extra dimensions, SUSY, W, top Higgs (SM, MSSM), extra dimensions, SUSY Higgs (SM, MSSM), new gauge bosons, extra dimensions, SUSY, W, top 35 + xE xE45 j70 + xE70 j400, 3j165, 4j110 20i, i, i, 2 20i 60i, 2 20i e25i, 2e15i

ATLAS Level 1-Calorimeter logic Level1 for many final states: electrons, photons, jets, taus and missing Et Electron/photon selection: Local maximum in Et of 2x2 region-> RoiI 2x1 (or 1x2) region within RoI over energy threshold Energy in the 12 adjacent cells < threshold: EM Isolation Had Energy in 16 cells < threshold: Had isolation and no Had development Trigger towers x = 0.1 x 0.1 RoI widths: e/g 0.2x0.2 jets/taus 0.4x0.4 Acceptance coverage: e/g up to | |=2.5 jet up to | |=3.2 Missing Et: up to | |=5 Sliding windows algorithm 2.3: trigger calorimetrico- curve di turn on

ATLAS Level 1-Calo Turn-on curves (L1 Eff vs MC ET) L1 Efficiency vs Jet MC ET

CMS Muon Detectors Muon stations in the iron yoke Barrel: Drift Tubes Chambers; Resistive Plates Chambers End-Cap: Cathode Strip Chambers; RPC 2.4: trigger muonico – curve di turn on 2 independent trigger systems in the barrel (DT+RPC) 2 independent trigger systems in each end-cap (CSC+RPC) LV1 Muon trigger architecture

Global muon trigger: Fondo di dimuoni fasulli da singoli muoni ridotto a <0.2% Soglie sharp = minor contributo da mu sotto soglia mal misurati

ATLAS Level-1 Muon Trigger System RPC TGC Atlas level-1 muon trigger system use: RPC (Barrel subsystem) and TGC (Endcap subsystem) Momentum is defined with track deviation from an infinite momentum muon (Coincidence Windows) Cabling projectivity towards interaction point Barrel(|eta|<1): Two Stations: 3 RPC planes for high-Pt 2 RPC planes for low-Pt EndCap(1<|eta|<2.4): single trigger station outside field. Muoni in aria Solo RPC in trigger

2.5: trigger Globale – condizioni logiche miste a LV1 Anche 32 Technical Triggers -> esempio: RBC (Bari) Trigger su cosmici nel barrel con le RPC Similmente il Central Trigger di ATLAS

ATLAS Level 1-Muon: Commissioning with cosmics Many combined runs: RPC + MDT Essential start of the trigger commissioning: Timing Calibrations Timing misalignment from different cable lengths and trigger algorithm processing time, corrected with a bottom-up approach, following the trigger structure Trigger Towers ->Adjacent trigger towers ->Trigger sector-> Different trigger sectors O(25000) calibration constants to be calculated and used online 2.6: calibrazione Pre-Fascio: trigger su cosmici, test- pulser e patterns simulati -- sincronia dei rivelatori Presa dati reali (lo scorso week-end con campo magnetico) Point 1 di ATLAS (cf talk G. Gaudio) Settore 13 (1/8 del barrel | |<1) Capacità di BX ID testata al Combined Test Beam (Estate 2004). Elettronica finale

PT da Trigger PT da offline ATLAS: LVL1-Muon Cosmics 25 ns Presa dati di cosmici diversa da fasci: Diverso tempo di arrivo e nessun puntamento verso IP. Modifica degli algoritmi di trigger: piena apertura finestre di coincidenza LVL1 muon (limitata dalla connettività) -> Trigger cablato Cosmici Muon da collisioni UX15 pozzi evidenti! Dati reali Coordinate X,Z estrapolate alla superficie

2.7: esempio 1: sincronizzazione DT muon trigger per CMS (campo magnetico) CMS Magnet Test and Cosmics Challenge (MTCC) in Agosto e Ottobre. >200M cosmics muon triggers con diverse correnti del solenoide (0,2,3,3.5,3.8,4T) 3 fully equipped sectors S10&11 in wheel2 S10 in wheel1 Tests effettuato nellarea sperimentale in superficie

Chamber synchronization (BX ID) at trig SectColl input MB1 MB2 MB3 WH+2 Sect10 WH+1 Sect10WH+2 Sect11 MB3 theta Only 5% of detector. The challenge is to put 250 chambers in synch in 2007 BX number

2.8: esempio 2: sincronizzazione DT vs CSC muon trigger per CMS.31 BTI n BTI n+1 BTIs overlap B (TESLA) longitudinal component B (TESLA) radial component H-trig = 4/4 layers L-trig = 3/4 layers BWBW Bn.19 Il campo magnetico ha una componente radiale non trascurabile in YB+2 Angolo di Lorentz, tempi di deriva apparenti piu lunghi, ritardo nella generazione del segnale di trigger. Sincronizzazione ad-hoc nella regione di transizione tra barile (DT) e end-cap(CSC). DT MB1 CSC ME1 r z MTCC: muon segments di DT utilizzati da CSC

2.9: esempio 3: sincronizzazione DT vs RPC muon trigger per CMS RPC vs DT Synch using trigger data injected in the DAQ LV1A BX number YB+1 YB+2 t=-15ns t=+7ns

2.10: strategie di singolo fascio: trigger su beam-gas collisions e beam halo trigger con rivelatori di muoni e calorimetria adronica nelle regioni in avanti. A bassissimi raggi rivelatori ad hoc. Simulazioni (LHC project note 324(2003)) mostrano un rate consistente (~1KHz) di mu e adroni secondari dallalone del fascio Orizzontali: interesanti per lallineamento degli endcaps e dellinner detector (per es. Dischi del tracker di CMS) interazione protone-gas nel volume sensibile del rivelatore: la topologia dellevento puo somigliare a collisione fascio-fascio (ma grande maggioranza di tracce molto soffici) Stima del rate molto difficile interessanti per la sincronizzazione assoluta con LHC

CMS Similmente in ATLAS: MBTS (Minimum-Bias Trigger Scintillators)

Minimun Bias Trigger Scintillator MBTS montati su Lar EndCap cryostat Geometria MBTS: 16 contatori da una parte e l'altra del punto di interazione 2 h-rings e 8 f -counters per ring Total copertura h : 2.1 <|h|<3.8 Efficienza su MB event: Eff(Nhit FWD>2 && Nhit BWD>2) = 51% /h~7.5 OK!

2.11: Strategia per LHC Calibration run 2007 run 2007= lumi <10^30, rate <50KHz LV1 prendi tutti BX non vuoti o selezione minbias HLT riduzione di 1/100 da 10KHz fino giu a 100 Hz (usando algoritmi LV1 per verificarli + eventi per calibrazione) Al crescere della luminosita: Prendi BX numero N dopo il BX0 dellorbita (zero bias) minima attivita calorimetrica (> NP torri sopra soglia a eta +, >NN torri sopra soglia a eta -); trigger su muoni con soglia a zero pt gli algoritmi LV1 verificati in HLT sono attivati al LV1 con tagli soffici in Et e Pt comunque acquisisci sempre minbias (nel caso prescalati) Statistica del livello 1 (cioe in input a HLT) diponibile per valutare gli algoritmi LV1 attraverso la loro emulazione: assumiamo da qualche giorno a 1 settimana a 10^30 con efficienza 50% = 1-3*10^35 cm -2 = nb -1 Trigger tecnici in parallelo: es: random triggers; in CMS RBC per cosmici, BSC per beam-gas e minbias; in ATLAS MBTS

2007 run - Lv1 Muon trigger commissioning Statistica disponibile: Con ~100 nb TeV : Pt > 5 GeV 0(100K) muoni da /K 0(10K) muoni da b/c 0(1K) muoni da J/ (solo nel 20-30% il secondo mu (piu soffice) e osservato) 80 mu da W 6 mu da Z - sufficienti (per esempio per il barrel di CMS) per prima calibrazione (~1-3 %): gli algorimi di identificazione (RPC vs DT) il tracciamento a LV1 attraverso piu camere a mu per Pt ~ 5GeV gli algoritmi di reiezione dei fondi migliorare sincronia - marginali per: Verificare la misura di Pt per Pt ~10-20 GeV e insufficienti oltre -rate aumenta di 2 volte quando Ptmin diminuisce di 2 GeV: zero Pt cut = ~3 GeV. Anche il Ptmin ricostruibile dai rivelatori interni e funzione di B: runnare CMS a 2T nel 2007?

2007 Run-LVL1 Calo Commissioning Tool importante: il campione di π 0 (O(10K)) Con ~100 nb TeV : Et > 10 GeV 0(100) e da J/ 80 e da W 6 e da Z Jets Test: simmetria della distribuzione in phi prima calibrazione solo con Pilot Physics run del 2008

2.12: strategia per Pilot Physics run 2008; LV1 trigger menu –rates in funzione delle soglie run 2008= lumi 10^31 LV1 riduzione di 1/100 a 10KHz + BX ID Selezione di oggetti basilari (e/gamma,Jet,tau,Etmiss,mu) con algoritmi verificati in 2007 run HLT selezioni di fisica giu fino a ~100Hz rates variano molto rapidamente con le soglie in Et calo e Pt mu. Caveat: stima dei rates da simulazioni che tendono a sottovalutare I fondi e il feedthrough da oggetti sottosoglia mal misurati campioni di W e Z molto importanti per calibrazioni ed allineamenti (calo, mu, tracker), jet energy scale, calibrazione di missing Et (es. W(e ) and Z( )) a cm –2 s –1 e 70% duty c. ~10K W->l per 24h procedure per calibazione CALO devono essere gia pronte e dare fast feedback

TriggerLVL1 Rate Hz mu41000 mu1550 em em25240 em25i65 2em em2080 2em20i3 2em7study combined signatures required (XE+J, XE+mu, J+em,...) Prescaled triggers efficiency measurements Triggers for calibration ATLAS muon calibration stream starts from L2 output TriggerLVL1 Rate Hz j j40400 j60100 J8040 J j907 XE30500 SUMET TAU10i7000 LVL1 GrandTotal<20 kHz OK also for staged LVL2 farm Esempio 1 (in studio): ATLAS LV1 trigger 10 31

Esempio 2 (in studio): CMS LV1 trigger 33 Mixed triggers Mu&calo CMS Phys TDR 2006, appendix E

50KHz DAQ / 4 KHz for, 100KHz DAQ / 8 KHz for, W 90% Z 99% H(150) ZZ* 4 98% W 82% Z 97% H(150) ZZ* 4 98% iso-rate curves (KHz); | |<2.1

2.13: sommario: strategia trigger LV Pre-fascio 2007 sincronizzazione relativa dei subdetectors con cosmici, test pulser, patterns simulati Singolo fascio 2007 Muoni da beam-halo per allineamento end-caps e tracker Collisioni beam gas per sincronizzazione assoluta con LHC LHC Calibration run 2007 (Lumi <10^30) inizialmente trigger di primo livello (LV1) su eventi minimum bias senza selezione o selezione molto soffice. Emula gli algoritmi LV1 (calo clusters, muon tracking) nel livello superiore (HLT). Attiva gli algoritmi a LV1 con soglie (Jet Et, mu Pt) soffici al crescere della luminosita. Muon Trigger commissioned e prima calibrazione LHC Pilot Physics run 2008 (Lumi 10^31) Selezione LV1 attiva e riduzione di >1/100 CALO Trigger commissioned con prima calibrazione per trarre il massimo vantaggio dal run con LHC in Steady State nel 2008, la calibrazione del trigger deve completarsi il piu possibile entro il Pilot Physics run del 2008