寄田浩平 寄田浩平 For ATLAS-FTK GroupFor ATLAS-FTK Group

早稲田大学理工学術院早稲田大学理工学術院(ATLAS-Institute: U of Chicago)(ATLAS-Institute: U of Chicago)

JPSJPS ＠立教大学＠立教大学On March 29th, 2009On March 29th, 2009

ATLASATLAS 実験における実験におけるFast TracKer (FTK) Fast TracKer (FTK) の開発の開発

研究研究～ ～ A Hardware Tracking Trigger at A Hardware Tracking Trigger at

LVL1.5 LVL1.5 ～～

ATLASATLAS 実験における実験におけるFast TracKer (FTK) Fast TracKer (FTK) の開発の開発

研究研究～ ～ A Hardware Tracking Trigger at A Hardware Tracking Trigger at

LVL1.5 LVL1.5 ～～

FTKFTK の概要の概要FTKFTK の概要の概要

＞ 参加研究機関＞ 参加研究機関 - U of Chicago, Harvard Univ- U of Chicago, Harvard Univ 、、 Illinois Univ.Illinois Univ. （米国）（米国） - INFN Pisa- INFN Pisa 、、 Rome, Frascati Rome, Frascati （イタリア）（イタリア） - [- [ 早稲田大学（日本）早稲田大学（日本） ]] から実働はから実働は 1010 人以下、、。人以下、、。

＞ ＞ FTK:FTK: HardwareHardware Tracking Trigger System @ Tracking Trigger System @ ““LVL1.5LVL1.5”” - Pixel/SCT- Pixel/SCT からのヒット情報から飛跡を再構成。からのヒット情報から飛跡を再構成。 (Standalone)(Standalone) - On LVL1 Accept, - On LVL1 Accept, 質の良い質の良い TrackTrack をを LVL2LVL2 にできるだけ早くにできるだけ早く (( ＜１ｍｓ＜１ｍｓ )) 供給供給 - - CDFCDF のの Silicon Vertex TriggerSilicon Vertex Trigger （（ SVTSVT ）の発展版）の発展版 - - 極めて困難なことは承知 → 新しい領域への一つの挑戦！極めて困難なことは承知 → 新しい領域への一つの挑戦！

＞ ＞ ATLAS Upgrade Project ATLAS Upgrade Project (Not strictly linked to phase X upgrade)(Not strictly linked to phase X upgrade)　　　　 - LHC- LHC のの High Luminosity RunHigh Luminosity Run に向けて（に向けて（ Target Year: Target Year: ～～ 20122012 ））　　　　 - 2008- 2008 年年 33 月に月に R&DR&D は正式承認されている。（開発期間１年延長）。は正式承認されている。（開発期間１年延長）。　　　　 - - 現在、研究開発を進めると共に現在、研究開発を進めると共に TDRTDR を執筆中、を執筆中、 11 年以内に提出予定。年以内に提出予定。

pp22/12/12

LVL1.5LVL1.5 とは？　とは？　【【模式図模式図】】LVL1.5LVL1.5 とは？　とは？　【【模式図模式図】】CaloCaloCaloCalo MuonMuonMuonMuon Pixel/SCTPixel/SCTPixel/SCTPixel/SCT

LVL1LVL1TriggerTriggerLVL1LVL1

TriggerTrigger

RODROD RODROD RODROD

ROBROB ROBROB ROBROB

LVL2 CPU FarmLVL2 CPU FarmRoIRoI

FTKFTKFTKFTK

Full Pixel/SCTHits received @50KHz~100KHz

High quality track(PT > ~2 GeV)Not only RoI

Very Low Impact Very Low Impact on current DAQon current DAQ

Basically, no change needed in LVL2Basically, no change needed in LVL2

2nd output

1st output

No Tracking info. No Tracking info. for LVL1 decision!for LVL1 decision!

pp33/12/12

L2L2 の初段階、の初段階、 1ms1ms 以内で以内で質の良いトラックを供給質の良いトラックを供給* L2 DeadTime* L2 DeadTime は、は、L1Rate x T(L2-Decision)L1Rate x T(L2-Decision) で成長！で成長！

構築、挿入、運転の予定構築、挿入、運転の予定構築、挿入、運転の予定構築、挿入、運転の予定

202420242023202320222022202120212020202020192019201820182017201720162016201520152014201420132013201220122011201120102010

← 1x1034

Phase IISLHC

Collimator

Phase IUpgrade

FTKFTK 挿入目標挿入目標 FTKFTK の利点：の利点：→ → >10>103434 でも５年以上でも５年以上安定 したデータ供給と変化しうる　　物理課題への柔軟な対応

→→ Phase IIPhase II のの DelayDelay への保障への保障　 ( ほとんどの HW Upgrade Project は PhaseII を意識 )

→→ sLHCsLHC への貢献、繋がりへの貢献、繋がり　　→ FTK を Upgradable に　　　　作るのも重要な研究　　　　課題の一つ（未着手）。

pp44/12/12

←← VMEVME 完成完成 イメージイメージ** これはこれは CDFCDFのの SVTSVT です。です。

FTKFTK の内部構成（概念の内部構成（概念図）図）

FTKFTK の内部構成（概念の内部構成（概念図）図）

DFDF

LVL1 Rate : 50-100KHzLVL1 Rate : 50-100KHz # of readout lines/DF# of readout lines/DF # of region (sector,crate)# of region (sector,crate) # of hits/event# of hits/event # of DFs# of DFs # of cluster/event# of cluster/eventDF

RODs

DO

RW-HWTF

Pixel/SCT

Track dataROBIN

Size of SuperStrip Size of SuperStrip & Required coverage & Required coverage Size of Pattern BankSize of Pattern Bank and # of AM boardsand # of AM boards

→→ 　現在はシステム全体の　現在はシステム全体の最適化の段階であり、ボード、最適化の段階であり、ボード、チップの開発と共に、チップの開発と共に、 FTKSimFTKSim(Athena(Athena で走らせることも可能で走らせることも可能 ))と呼ばれると呼ばれる SimulationSimulation ToolTool でで開発がされている段階。開発がされている段階。

* * それぞれのステージでそれぞれのステージで I/OI/O の数やの数や ボードの数、ボードの数、 そのスペックを様々な角度そのスペックを様々な角度 から決定する必要性。から決定する必要性。

DODO AM

Road+Hits

S-link

LVDS-link

Roads

# of TF, performance of RW-HW.# of TF, performance of RW-HW.Fitting time per/track.Fitting time per/track. 1) # of tracks/event1) # of tracks/event 2) # of roads/track2) # of roads/track 3) # of combination/road 3) # of combination/road Total # of fit/event = 1) x 2) x 3) Total # of fit/event = 1) x 2) x 3) Rate for fit (LVL1 x N of fit/event)Rate for fit (LVL1 x N of fit/event) pp55/12/12

FTKFTK で重要な事、難しい事で重要な事、難しい事FTKFTK で重要な事、難しい事で重要な事、難しい事→ → 決めるべき要素：決めるべき要素： - Region: - Region: 検出器の区切り方（検出器の区切り方（ CrateCrate のの数）数） - Sector: - Sector: 第１パターン認識 第１パターン認識 (Module(Module のの組合せ組合せ )) - SS Size: - SS Size: パターン認識→パターン認識→ Pattern BankPattern Bankのサイズのサイズ - Constant Quality: - Constant Quality: Track FittingTrack Fitting の質の質

* * しかし、現状はシステムデザインも未だ議論中かつ“実データ”もなしかし、現状はシステムデザインも未だ議論中かつ“実データ”もない！い！ → → ハードウェアシミュレーションもできない → 信頼性と現実味ハードウェアシミュレーションもできない → 信頼性と現実味に欠ける。に欠ける。

１．１． Signal EfficiencySignal Efficiency２．２． Fake RateFake Rate３．３． ResolutionResolution４．４． Physics ImpactPhysics Impact

Given a certain design/spec.,clock,TProcess =F(Nhits, Nclusters, Nfits, …)

最も重要な要素はプロセス時間（最も重要な要素はプロセス時間（ TimingTiming ）！）！Pixel/SCTPixel/SCT HitHit EventEvent毎の毎の TimingTimingGiven a certain design/spec.,clock,,,

TTProcessProcess =F(N=F(Nhitshits, N, Nclustersclusters, N, Nfitsfits, , ……))

→ → 第一段階第一段階 : CDF: CDF のの SVTSVT を用い、方法論の検証と実行性を確を用い、方法論の検証と実行性を確認。認。

BottleneckBottleneck 部分の洗い出し部分の洗い出しルミノシティー依存性を検証ルミノシティー依存性を検証現行現行 HLTHLT との比較との比較 システムデザインに反映（変更）システムデザインに反映（変更）

最適化するための反復最適化するための反復

Silicon Vertex Trigger (SVT) Silicon Vertex Trigger (SVT) @ CDF@ CDF

Silicon Vertex Trigger (SVT) Silicon Vertex Trigger (SVT) @ CDF@ CDF

6 electrical barrels

Z

3030°°

SVT Timing CalculationSVT Timing CalculationSVT Timing CalculationSVT Timing CalculationHit Finders

Merger 2 AM++

HB++

TF++

COT tracks

fromXTRP

12 fibers

hits

roads

hits

x 12 phi sectorsx 12 phi sectors

AMSRW

raw data fromSVX front end

road’shits

tracks

Finalmerger

Ghost buster

L2SVTRX

tracks

L1AL1A SVX hitSVX hit HF hitHF hit AMSRWAMSRWHits EEHits EE

AMSRWAMSRWRoads EERoads EE

TF inTF in

TF outTF out GB EEGB EE

TimeTime

hits

XXss XXss XXss XXssXXss XXss XXss

pp88/12/12

Measured (data)Measured (data)

PredictedPredicted

SVT Timing SVT Timing の簡単なモデルの簡単なモデルSVT Timing SVT Timing の簡単なモデルの簡単なモデル

単純なモデルでも、重要なパラメータ単純なモデルでも、重要なパラメータをおさえれば、ヒット数、フィット数などをおさえれば、ヒット数、フィット数などの関数で実データを再現可能なことがの関数で実データを再現可能なことがわかった。わかった。

特に特に TimingTiming分布の平均、幅、分布の平均、幅、 TailTail のの特性とそのルミノシティー依存性を深く特性とそのルミノシティー依存性を深く理解する必要がある。理解する必要がある。

←← BAD!BAD!

←← GOODGOOD ！！

SVT Mean = 20SVT Mean = 20 ～～ 25μs25μs * FTK* FTK の目標は数百の目標は数百 μs (<1ms)μs (<1ms)

T= a*Max(NT= a*Max(Nhithit)+b*Max(N)+b*Max(Nfitfit)+c)+cwedgewedge wedgewedge

> /Hit loading time: 30-45ns> /Hit loading time: 30-45ns>> /Fit execution time: 25-300ns/Fit execution time: 25-300nsなどなど、、、（詳細省）などなど、、、（詳細省）

今後はより詳細化して、いくつ今後はより詳細化して、いくつかかのアルゴリズを検証する予定。のアルゴリズを検証する予定。→ → FTKFTK に応用する。に応用する。 pp99/12/12

問題点： 問題点： SCTSCTモジュールにモジュールに GeometricalGeometricalなオーバーラップがあるため、同じ層内なオーバーラップがあるため、同じ層内でも二つのモジュールにヒットがある。でも二つのモジュールにヒットがある。　→ パターンのサイズが増える。　→ パターンのサイズが増える。　→ 一つの飛跡に対して、ふたつ以上の　→ 一つの飛跡に対して、ふたつ以上の　　　パターン認識がされる。　　　パターン認識がされる。＊これらを抑えるアルゴリズムが必要。＊これらを抑えるアルゴリズムが必要。

Single μ SampleSingle μ SampleNo Pileup but RHNo Pileup but RH

ー ー FTKFTKー ー IPATIPAT

←← 20μm20μm

Impact Parameter Impact Parameter ResolutionResolution

現状のパフォーマンス、問題点現状のパフォーマンス、問題点などなど

現状のパフォーマンス、問題点現状のパフォーマンス、問題点などなど

Impact ParameterImpact Parameter

WH SampleWH Sample@10^34@10^34 FTK: FTK:

σσ ＝～＝～90μm90μmIPAT:IPAT:σσ ＝～＝～70μm70μm

Caveat ! Very Preliminary - Studies still underway !

pp1010/12/12

物理へのインパクトの例を一つ物理へのインパクトの例を一つだけだけ

物理へのインパクトの例を一つ物理へのインパクトの例を一つだけだけ

そのほかにも、そのほかにも、 Electron/gamma/muonElectron/gamma/muon などに適用したときのなどに適用したときの改良度合いをみたいが、ただ単に手が回っていない状況。改良度合いをみたいが、ただ単に手が回っていない状況。

＞ ＞ 信号： 信号： bbH/AbbH/A の場合の場合

4jet Trigger4jet Trigger の閾値の閾値 (e.g. 50,70,100GeV)(e.g. 50,70,100GeV) が高いため、低い（が高いため、低い（ < ~ 200GeV< ~ 200GeV ）質量の）質量の HiggsHiggs のピークが消される！のピークが消される！ → → 終状態は４つの終状態は４つの b quark jetb quark jet を含むため、を含むため、 FTKFTK が供給するトラックの が供給するトラックの 情報から早い段階情報から早い段階 (LVL2(LVL2 の頭の頭 )) で同定が可能となる。で同定が可能となる。 → → EtEt閾値を下げて（閾値を下げて（ 5555→→30GeV@LVL130GeV@LVL1 ）、）、 b jet tagb jet tag の要請付加で回復！の要請付加で回復！

pp1111/12/12

纏めと今後の課題纏めと今後の課題纏めと今後の課題纏めと今後の課題

> b jet/τ> b jet/τ のみならず、のみならず、 FTKFTK の情報はの情報は e/γ/μe/γ/μ にも利用可能にも利用可能 → → 単純に、トリガーロジックに単純に、トリガーロジックに FTKFTK の情報を入れ込んで、の情報を入れ込んで、 DAQDAQ の質が悪くなるわけない！の質が悪くなるわけない！

今後の予定今後の予定

> > 新現象の性質解明は様々なチャンネルで見ないと新現象の性質解明は様々なチャンネルで見ないと ×× → → bjetbjet やや ττ のようなあまり綺麗でない事象もとても大事になる。のようなあまり綺麗でない事象もとても大事になる。

> FTK Timing study> FTK Timing study 用のソフトウェア開発 → デザインの最適化を行う。用のソフトウェア開発 → デザインの最適化を行う。> TDR> TDR を仕上げる（なるべく早く。一年以内）。を仕上げる（なるべく早く。一年以内）。 → → 現行の現行の HLTHLT のトラッキングと比較し、のトラッキングと比較し、 FTKFTK による恩恵を定量化、説得。による恩恵を定量化、説得。 → → If Approved → If Approved → そこからそこから 33 年後年後 (2012(2012 年内年内 )) のコミッショニングを目指す。のコミッショニングを目指す。 → → その後はその後は FTKFTK の力をフルに利用した物理解析が可能！の力をフルに利用した物理解析が可能！

20182018 年頃の年頃の sLHCsLHC へ向けた増強計画に対して、へ向けた増強計画に対して、 IntermediateIntermediate Upgrade ProjectUpgrade Projectとして開発構築し、第一段階のとして開発構築し、第一段階の High LuminosityHigh Luminosity （（ ~10~103434 ）に備えることが重要。）に備えることが重要。

> FTK> FTK は質の高いトラックをは質の高いトラックを LVL2LVL2 のはじめのはじめ 1ms1ms 以内で供給以内で供給 - LVL1- LVL1閾値を下げることが可能。閾値を下げることが可能。 - LVL2- LVL2 のの PC farmPC farm はもっと洗練されたアルゴリズムを使える！はもっと洗練されたアルゴリズムを使える！ - RoI- RoI 以外のオブジェクトの利用の可能性。以外のオブジェクトの利用の可能性。

pp1212/12/12