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Vorlesung 4CMS II

Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger

Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück(Peter Schleper)Universität HamburgWinter-Semester 2004/05

WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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Vorlesung 4CMS IIÜbersicht

Allgemein: Gas-betriebene Spurkammern Prinzipien Von Ionisationskammern über Proportionalzähler zu

Geiger-Zählern MWPC, DC, TPC, MSGC, etc.

CMS: Muon-Detektoren Motivation Präzisionskammern zur Spurmessung Resistive Plate Chambers zum Triggern

ATLAS Einführung Trigger


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Vorlesung 4CMS II

1. Gas-betriebene Spurkammern


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Vorlesung 4CMS IIIonen/Elektronen in Feldern

Drift und DiffusionZwei Effekte: -- Diffusion der Ladungswolke

Immer da durch Abstossung der Ladungen und ihre thermische Bewegung.

Maxwell, ve=106cm/s, vion=104cm/s

Diffusionskoeffizient ( freie Weglänge)

-- Drift der Ladungen im elektrischen Feld. Drift-Geschwindigkeit: Ionen niedrig, e- hoch

Beweglichkeit (u=Geschwindigkeit):

Einstein:

vDmkTv

318

Eu /

ekTD


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Vorlesung 4CMS II

Mechanismen d. LadungserzeugungIonisation und Anregung

Anregung eines Atoms: X+p X*+p Resonanzprozess ~ 1017 cm-2

Ionisation: X+p X++p+e- keine Resonanz ~ 1016 cm-2

primäre sekundäre Elektronen (-Rays)

Anzahl von Elektron-Ion-Paaren: 1 Paar pro 30 eV einfallender Energie(Argon: Anregung: 11.6 eV, Ionisation 15.8 eV Paar-Erzeugung 26 eV).

Auflösung f. ein Teilchen: R=E/E=2.35 N/N=2.35(Fw/E) w: Energie f. ein Elektron-Ion-Paar F: Fano-FaktorE: deponierte Energie E: Fehler auf E (FWHM)N: Anzahl der Ionisationsprozesse.


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Vorlesung 4CMS IILadungserzeugung

als Funktion des elektrischen FeldesIonisationskammer: Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt.

Proportionalkammer: Primäre Elektronen werden beschleunigt und können andere Atome ionisieren (Ionisations-Lawinen). Ionisationsvermögen hängt von kinetischer Energie und damit der Feldstärke ab.

Geigerzähler: Die erzeugte Raumladung deformiert das Feld, so dass die Proportionalität verloren geht. Noch später: Kette von Lawinen Amplitude immer gleich hoch, unabhängig von Anfangsenergie Zusammenbruch: Konstante Entladung Zerstörung des Detektors.


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Vorlesung 4CMS IILawinen-Multiplikation

Beachte: Elektronen sind sehr mobil!Lawine entsteht in der Nähe des Drahtes – nur da ist Feld stark genug! Schnelle Sammlung der Elektronen (~1 ns)Signal auf Elektroden durch Ionen-Drift

Elektronen sind mobiler als Ionen; ihre Mobilität µ hängt vom Feld ab.

Townsend-Koeffizient: Wahrscheinlichkeit für Ionisation auf Einheits-Wegstrecke ( freie Weglänge)

Elektronen auf Strecke dx erzeugt

Erzeugte Elektronen auf Strecke x: n(x) = n0 exp(ax)

Multiplikator für Lawine (Gain):

2

1

)(expexp)(0

r

r

dxxaaxnxnM

1a

dxandn


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Vorlesung 4CMS IIIonisationskammer

Übersicht Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt.

Gutes “toy model” für einige theoretische Überlegungen.

V 250 V

Lawine

Woher kommt das Signal?


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Vorlesung 4CMS IIPulsbildung

Durch Drift der LadungsträgerFeld und Potential eines Drahtes:

Potentielle Energie einer Ladung,Änderung bei Verschiebung

Energie des Feldes

Energieerhaltung

Also Änderung des Spannung!

Beitrag der Ionen viel grösser!

ara

lqdr

drrd

lCVqV

drdrrd

lCVqdV

drdrrdqdVlCVdW

lCVW

drdrrdqdWrqW

arCVr

rCVrE

a

ra

'ln2

)(

)(

)(21

)()(

ln2

)(12

)(

'0

0

0

20

00


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Vorlesung 4CMS IIDriftkammern

Übersicht Homogenes Feld Driftgeschwindigkeit konstant!

Anode

Felddrähte Elektroden zur Abschirmung

Wenig Hardware-Aufwand, aber sorgfältige Wahl desGases und gutes Design des Feldes nötig (Homogenität!)

dtxvx )(


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Vorlesung 4CMS II

VieldrahtproportionalkammerMultiwire proportional chamber (MWPC), Charpak 1968Viele Anodendrähte nebeneinander (ohne Abschirmung!) wirken wie

viele kleine Proportionalkammern! Jeder Draht kann (dank Transistortechnik) seinen eigenen Verstärker haben.

Abstand Anode zu Anode: mm Abstand Anode

zu Kathode: mm

Potentialdifferenz: n*100 V

Feld fast überall homogen!

Lawinenbildung erst nahe an Anode, vorher nur Drift! Signal

auf mehreren Drähten!

Ortsauflösung 0.5*Anodenabstand.

Kathodenstreifen: 100 µm

Zeitauflösung: 25-30 ns


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Vorlesung 4CMS IIZylindrische Driftkammern

Der Standard in HEP

Proportionalkammern Viele Driftkammern

Jet-Kammer Time Projection Chamber


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Vorlesung 4CMS IIZylindrische Driftkammern

Der Standard in HEP

Tasso-Driftkammer

Jade-Jet-Kammer: Mehr Bildpunktepro radialer Spur. Transversales Feld


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Vorlesung 4CMS IIZeitprojektionskammer

Time Projection Chamber (TPC)

Kombiniere grosse Driftstreckenmit Drahtkammern / Pads zur Auslese an den Enden Infoüber r und -Position (180 µm).

Ankunftszeit gibt z-Information(Auflösung ca. 200 µm – gut!)

E- und B-Feld parallel keinProblem mit Lorentz-Winkel.


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Prinzip der OrtsauflösungBla


16


Am Beispiel von AlephBla


17


Prinzip der AusleseBla


18


Bilder von AlephBla


19


Das erste Aleph-Event-Display


20


… und das letzte


21


Auflösungen bei Aleph


22


Teilchen-Identifikation mit der TPC


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Vorlesung 4CMS IIMicrostrip Gas Chambers

Die MWPC in mini – schnell und präzise

Driftfeld

Verstärker-Folie

Anoden Anoden


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Vorlesung 4CMS IIMicrostrip Gas Chambers

MSGC


25

Vorlesung 4CMS II

2. Myon-Kammern


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Vorlesung 4CMS IIPseudo-Rapidität

… Vorwärts und Zentral / Barrel

2tanln

=0=0.9=1.3

=2.4


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Vorlesung 4CMS IIMyonkammern: Motivation

ppHZZ*4


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Vorlesung 4CMS IIMyonkammern: Motivation

ppbbtag+B0


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Vorlesung 4CMS II

Myonkammern: MotivationppZ zur Kalibration! Schwere Bosonen/Leptonen


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Vorlesung 4CMS IIMyonkammern

Gesamtansicht aller Systeme


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Gesamtansicht aller Systeme im Barrel


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Vier Myon-Stationen im BarrelEine Station enthält drei ver-setzte Lagen (Superlayer) von je vier Lagen Drift-Röhren(gutes BC-Tagging ~ns!).

Spurkammern

KalorimeterSolenoid

Magnet-Joch

Myon-StationenZwei Superlayer für r-Messung, einer für z.

Stationen 1 und 2: Je zwei RPC (innen, aussen)Stationen 3 und 4: Eine RPC innen.


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Driftkammern im Barrel

niedrige Rate, geringe Teilchenanzahl im Barrel langsame Driftkammern sind okay. Röhren (Wand 2mm) schützen Detektor bei Drahtbruch! Auch Entkopplung benachbarter Kanäle. In Kombination hervorragende Zeit- und Ortsauflösung. ca. 200000 Kanäle


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Bedeutung des Magnetfelds

x ist Ortsauflösung eines Messpunkts Starkes B-Feld macht bessere Auflösung (stärkere Krümmung der Spur) Wichtig: Durchlaufener Radius L:

Hebelarm Myon-Kammern sind ganz aussen.

)4(7203.0 2

N

LBP

pxp

Ortsauflösung der Myon-Kammernist wichtig für Impulsmessung, und die ist wichtig für Rekonstruktion derinvariante Masse z.B. des Higgs.


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Vorlesung 4CMS IIMyonkammern – Trigger

Resistive Plate Chambers: Arbeitsweise Schnelle Response BC-ID! Billiger und einfacher Readout hohe Segmentierung möglich gute Myon-pT-Auflösung.

Zuerst im Streamer-Mode betrieben: sehr kurzer hoher HV-Puls Entladungskanäle mit hoher Zeitauflösung! Aber: langsame Erholung!Jetzt: Oberer Rand Proportionalitätsbereich Ratenverträglich!


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Vorlesung 4CMS IIRPC: Layout

6 Kammern im Barrel

-HV

-HV

-HV

-HV

Readout der Streifen(Signal wird induziert)

BakelitFeld

Das Feld wird erzeugt durch Aluminium-Folien auf der Rückseite der äußeren Bakelit-Schicht.


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Barrel-Station mit DTs und RPCs.


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Cathode Strip Chambers in den Endkappen 2D-Readout in einer Kammer Kleiner Drahtabstand schnell (gut in Vorwärtsrichtung) hohe Präzision der Ortsmessung mit Streifen: Interpolation. Fächerförmige Streifen erlauben einfache -Messung

KathodenDrähteMyon

Streifen

Draht

LawineInduzierte Ladung


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Impuls-Auflösung

Kombination mit Inner Tracker wesentlich!


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ppZ zur Kalibration!

Auflösung wenige GeV.

Z: Nur µ-Kammern Z: µ-Kammern+Tracker

Z’: 150 GeV Z’: 300 GeV


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Effizienz der Driftkammern und des Triggers

Wichtig: Wieviele Myonen erwische ich mit dem Trigger? Wieviele Myonen kann ich in den Kammern identifizieren?

Wert, bei dem ca. 85% Effizienz erreicht ist.


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Raten

Fast unmöglich <10 GeV zu trigger!

Aber unter 20 GeV fast nur “minimumbias”-Ereignisse. Erst dann Myonen aus-- W-Zerfall-- Drell-Yan-Prozessen (qqW/Zµµ)-- Z-Zerfall-- top-Zerfall-- etc.


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Vorlesung 4CMS II

3. Trigger


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Vorlesung 4CMS IITrigger = Zentrale Instanz des

Experiments, die online über Selektion oder Verwerfung jedes einzelnen Events entscheidet.

Realisierung entweder durch schnelle

Elektronik oder durch Software-Algo-

rithmen.

Hauptproblem: Wie kriege ich schnell

genug genügend Informationen zusammen, um auf

konsistenter Grundlage entscheiden zu können?


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Vorlesung 4CMS IIWirkungsquerschnitte

… warum eigentlich ein Trigger?


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Vorlesung 4CMS IIPHYSICS AT THE LHC

Comparison of SM and ‘new physics’ processes

Small cross-sections for

‘new physics’processes

Understandingof SM processes

important

• Backgrounds for ‘discovery physics’: Wbb, ttbb, W/Z pairs…• Calibration, energy scale: Ze+e-,+-, J/e+e-,+-, Wjj…

At high luminosity~23 events overlaid

… for 2•1033cm-2s-1 usually only one event

… and small branching ratios (e.g. H).SM processes dominate.

Necessity of efficient trigger!


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Vorlesung 4CMS IIPHYSICS AT THE LHC

Importance of high pT signatures

Muons just as illustration - same is true for electrons, photons, jets.

Interesting (non-minimum-bias) physics sets in only at relatively high pT.

New particles are expected to be heavy (Higgs, sparticles all above 100 GeV) decay products will have relatively high transverse momentum.


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Vorlesung 4CMS IIATLAS TRIGGER MENU COVERAGE

Inclusive anddi-lepton

B physics

H

SUSY,leptoquarks

Resonances,compositeness

• Gauge boson pair production for study of anomalous couplings and behaviour of production at high energies • single and pair top production• direct Higgs production with HZZ*/WW*; associated SM Higgs production with WH, ZH, ttH• MSSM Higgs decays• Production of new gauge bosons with decays to leptons. • SUSY and leptoquark searches

• specialised, more exclusive menus

• 2EM15I at L1, 220i at L2. Also MSSM.

• High pT jets with/without ETmiss.

• High pT jets.

Triggering mostly with inclusive / di-leptons.


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Vorlesung 4CMS IITHE ATLAS EXPERIMENT - Length ~40 m

- Diameter ~25 m- Weight ~7000 t- 108 channels (event ~2MB)

- ‘Inner (tracking) Detector’- calorimeters (energies)- muon detectors

- Barrel: solenoid around ID and toroid fields in muon system- Endcaps: toroid fields


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Vorlesung 4CMS II

THE ‘INNER DETECTOR’

Pixel Detector:

- 3 barrel layers - 2•4 end-discs - 140•106 channels- R=12m,z,R=~70m- || <2.5

Silicon Tracker:

- 4 barrel layers, || <1.4 - 2•9 end-discs, 1.4 < < 2.5- Area 60 m2

- 6.2•106 channels- R=16m, z,R=580m

Transition Radiation Tracker

- 0.42•106 channels- =170m per straw- || <2.5


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Vorlesung 4CMS IITHE

CALORIMETERSHadronic Tile:

- 463000 scintillating tiles- 10000 PMTs- Granularity 0.1•0.1 - : <1.0, (0.8-1.7)- L=11.4 m, Rout=4.2 m

Hadronic LArEndcaps:

- steel absorbers- 4400 channels- 0.1•0.1 / 0.2•0.2- 1-5

EM LAr Accordeon:

- lead absorbers- 174000 channels- 0.025•0.025- : <2.5, <3.2

Forward LAr:- 30000 rods of 1mm- cell size 2-5cm2 (4 rods)- : <3.1, <4.9- 1 copper, 2 tungsten

LAr Pre-SamplerAgainst effects of

energy losses in front of calorimeters


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Vorlesung 4CMS IITHE MUON SYSTEM

Monitored Drift Tubes

- 3 cylinders at R=7, 7.5, 10m- 3 layers at z=7, 10, 14 m- 372000 tubes, 70-630 cm- space=80m, t=300ps (24-bit FADCs)

Cathode Strip Chambers

- 67000 wires- only for ||>2 in first layer- space=60m, t=7ns

Thin Gap Chambers

- 440000 channels- ~MWPCs

Resistive Plate Chambers- 354000 channels- space=1cm- trigger signals in 1ns


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Vorlesung 4CMS IITHE ATLAS TRIGGER: OVERVIEW

Multi-layer structure for rate reduction: 1 GHz 100 Hz.

} EF- Full event- Best calibration- Offline algorithms- Latency ~seconds

} L1

- Hardware-based (FPGAs and ASICs)- Coarse granularity from calo/muon- 2s latency (pipelines)

} L2

- ‘Regions-of-Interest’- ‘Fast rejection’- Spec. algorithms- Latency ~10ms


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Vorlesung 4CMS IITHE LEVEL1-TRIGGER

Selection based on high-pT objects from calo and muon.

MultiplicitiesRegions-

of-InterestEvent decision

for L1

Interface tofront-end

Muoncandidatesabove pT

thresholds

Interface to highertrigger levels/DAQ:objects with pT,,

Candidates forelectrons/photons,taus/hadrons,jetsabove pT thres-holds.

Energy sumsabove thresholds


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Vorlesung 4CMS IITHE CALORIMETER TRIGGER II

Example: The /hadron trigger Example: The jet/energy trigger

• 2·2 jet EM+HA cluster (RoI) in 2·2 or 3·3 or 4·4 region (gives ET).

• 8 (4) (forward) jet ET thresholds.

• Total/missing ET from jets (sum of 0.2·0.2 jet elements to ·=0.4·0.2, conversion to Ex,Ey, then summation).

• Maximum of EM+HA ET in 2·2 ‘RoI’, isolation criteria (alternative core definitions?).

• Multiplicities for 8(8) e/ (/ hadron) ET thresholds.

Builds candidate objects (RoIs): electrons/photons, taus/hadrons, jets.Ideas about core definitions, isolation criteria not really finalised.


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Vorlesung 4CMS IITHE MUON TRIGGER

• ‘Roads’ can be defined for 6 different pT thresholds (for which multiplicity counts are delivered to the CTP).• BCID=1.5 ns.

Trigger chambers: • 3 RPC stations for ||<1.05• 3 TGC stations for 1.05<||<2.4. • 2 , layers per station (TGC 2/3)

pT information from hit coincidences in successive detector layers.

Procedure:• Put predefined ‘roads’ through all stations (width in ~ pT). • If hit coincidences in 2(3) stations muon candidate for pT threshold corresponding to ‘road’.

ATLAS quadrant in rz view

trigger chambersprecision chambers


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Vorlesung 4CMS IITHE CENTRAL TRIGGER PROCESSOR

existing prototype1 9U VME module

final design~7 different modules

Combines calorimeter and muon information to L1 decision.

Lookup tables:‘conditions’

Programmabledevices: ‘items’

Dead time etc.

Combinationof ‘items’

One big FPGA

Interfaces todetectors,LHC

Input bits: multiplicities

To Level2 Number of items?


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Vorlesung 4CMS IIL1 SIMULATION: OVERVIEW

Most developments originally for stand-alone applications.

Generation of MonteCarlo events for analysis purposes Rate/efficiency estimates Inputs for HLT tests Tests of L1 trigger hardware (~done for some compo- nents; just starting ‘slices’, configuration problem!)


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Vorlesung 4CMS IITHE L1 DECISION

Derived in the ‘Central Trigger Processor’ (CTP).

Multiplicitiesof objects above

pT thresholds

‘Conditions’:multiplicity

requirements

‘Items’: logicalcombinationsof ‘conditions’

L1 result as‘OR’ of all ‘items’

Inputs to HLT: L1 result and objects with pT,,.

CTP

calorimeter, muon


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Vorlesung 4CMS IIL1 CONFIGURATION

Based on XML:

<TriggerThreshold name=“MU6” value=“6” bitstart=“3” bitlength=“3” etamin=“-5” …. /> <TriggerThreshold name=“JT90” value=“90” bitstart=“6” bitlength=“3” etamin=“-5” …. /> Calo and muon need to know

which multiplicity is to be delivered on which physical line.

• Simple definition of logical structures (better HTML).• Simple ‘parsing’ into instances of C++ classes.

<TriggerMenu> <TriggerItem> <AND> <TriggerCondition threshold=“MU6” multiplicity=“2” /> <TriggerCondition threshold=“JT90” multiplicity=“1” /> </AND> </TriggerItem></TriggerMenu>

Structure of L1 decision configures CTP.

Prevent from configuring logical structure that exceeds CTP’s abilities (number of inputs etc.).

Definition ofobjects to be

triggered:Trigger Menu

Def. of objectsfor which calo andmuon deliver multi-

plicity counts:thresholds

Description of hardware


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Vorlesung 4CMS IITHE HIGH-LEVEL TRIGGER (HLT)

Good example for solid software process.


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Vorlesung 4CMS IIHLT: DESIGN OVERVIEW

EventFilter (EF)

ClassificationSelection~102 Hz

Hardware Implementation

LEVEL 2 (LVL2)~1 kHz

Level1 (L1)

~102 kHz

Read-OutSubsystemModules

High-Level Trigger: Design

HIGH-LEVEL TRIGGER (HLT)

Offline

Simplified subsystem view

Event- Filter


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Vorlesung 4CMS IIHLT: SELECTION SOFTWARE

HLTSSW

Steering Monitoring Service

1..*

MetaData Service

1..*ROBDataCollector

DataManager HLTAlgorithms

Processing Task

EventDataModel

LVL2PU Application

<<import>>

Offline EventDataModel

Offline Reconstruction

Algorithms

<<import>>

StoreGateAthena/Gaudi

<<import>><<import>>

InterfaceDependency

Package

EventFilter

Level2

PESA Core Software

PESA Algorithms

Offline Architecture & Core Software

Offline Reconstruction

Running in Level2 Processing Units (L2PU)+EF.

Set-up by HLT configuration


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Vorlesung 4CMS IIHLT: SELECTION PRINCIPLES

‘Regions-of-Interest’ (RoI)

Step-wiseprocess and

‘Fast rejection’

Flexible L2/EF boundary

Use of offlinereconstruction

algorithms

PESA = ‘Physics- and Event Selection Architecture’

¶ Selection/Rejection starts with localized L1 objects (‘Regions-of-Interest’) limited data amount.¶ Then step-wise more and more correlated data from muon/calo and other detectors (e.g. cluster shapes, tracks for e/ separation).¶ After every step: Check whether selection criteria still fulfilled optimal use of HLT processors.

¶ flexible distribution of load and use of resources.

¶ Use of common software architecture + algorithms understanding of trigger rates/efficiencies. ¶ Use of common ‘event data model’ (should be trivial ;-) ).


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Vorlesung 4CMS IIHLT DECISION (LEVEL2 AND EF)

Overview of step-wise procedure with ‘dummy’ example Ze+e-

After every step: test + possibly rejection.

‘Physics Signature’: Ze+e- withpT>30 GeV

‘IntermediateSignature’


L1 result: 2 EM clusters

with pT>20 GeV


decision part algorithmic part


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Vorlesung 4CMS IILEVEL1 SELECTION: PLANNING

Selection 2·1033 cm-

2s-11034 cm-2s-1

MU6(20?) (20) 23 (3?) 4.02MU6 --- (1?) 1.0

EM25i (30) 11 22.0 2EM15i (20) 2 5.0J200 (290) 0.2 0.23J90 (130) 0.2 0.24J65 (90) 0.2 0.2J60+xE60

(100)0.4 0.5

TAU25+xE30 2.0 1.0MU10+EM15i --- 0.4

others 5.0 5.0total ~ 44 (25?) ~ 40

Rates in kHz; thresholds define 95% efficiencies.

No safety factors included (LO MonteCarlos etc.).

Muon triggerscontribute to

(di)lepton signatures.

Electron/photontriggers strong;

large backgrounds.

Low rate for jettriggers; difficult to

control backgrounds

New studies assume much reduced rate (~kHz).


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Vorlesung 4CMS IILiteratur

… und weiterführende Informationen

K. Kleinknecht, Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner.

W.H. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,Springer

CMS und ATLAS: Technical Design Reportsatlas.web.cern.ch/Atlas/Internal/Welcome.htmlcmsdoc.cern.ch/cms.html


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Vorlesung 4CMS IITHE CALORIMETER TRIGGER I

Complex system with many modules to be developed.

digitisation,presumming to jet

elements with0.2•0.2 granularity

analog sums of EM/HA cells

7200 trigger towers(granularity 0.1•0.1)

cluster processor:Find e/ and /hadron

candidates in 6400trigger towers

(||<2.5)

jet/energy processor:- Find jet candidates in 30•32 jet elements for ||<3.2- Build total ET sum up to ||<4.9.


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Vorlesung 4CMS IITHE MUON-TO-CTP INTERFACE

208 RPC/TGC sectors deliver 1-2 RoIs combined by 16 MIOCTs.

MIBAK backplane builds RoImultiplicities for 6 pT thresholds.


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Vorlesung 4CMS II

<TriggerMenu> <TriggerItem> <AND> <TriggerCondition threshold=“MU6” multiplicity=“2” /> <TriggerCondition threshold=“JT90” multiplicity=“1” /> </AND> </TriggerItem></TriggerMenu>

L1 CONFIGURATION

Implementationin C++ classes

Logical tree structureof XML tags

Definitions oftrigger menu

“Parsing”


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Vorlesung 4CMS II

PROBLEM: HARDWARE CONFIGURATION

Idea: Runsimulation against

L1 hardware

Tests of hardware and software systems. Needs common input data. Needs unified configuration for simulation software and hardware.

Status First lookup table files successfully loaded. First (simple) VHDL code written. Translating and loading dangerous (damaging FPGA).

Have to generate lookup table files VHDL code for FPGAs. Have to be generated ‘on the fly’, from running configuration code.

Problem

TBV[0] = MIO[0] & MIO[1] & !MIO[2] & maskff[0] & !LOCADT[0] & !GLOBDT1[0] & !GLOBDT2[0] & !VETO


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Vorlesung 4CMS IITRÍGGER STUDIES

Mostly done using full GEANT simulation of ATLAS detector and of trigger logic. Usually not full events used, but only parts (QCD jets, H processes etc.) Full dijet event ~1000s.

For jets and ETmiss studies only with fast parametrised simulation. Fast L1 trigger simulation for some purposes (large samples etc.).

Most studies have large uncertainties: LO MCs, computing time per event, costs, classification. Should be reduced with new L1 simulation + HLT software for HLT technical design report (5/2003).

Only rigidly done for L1+L2. EF should be ~100% efficient.Most studies from 1998 Trigger Performance Status Report.


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Vorlesung 4CMS IIHLT SELECTION: PLANNING

Selection 2·1033 cm-2s-1 1034 cm-2s-1 Rates (Hz, low lumi)

Electron e25i, 2e15i e30i, 2e20i ~40Photon 60i, 220i 60i, 220i ~40Muon 20, 210 20, 210 ~40

Jets j400, 3j165, 4j110

j590, 3j260, 4j150 ~25

jet+Etmiss j70+xE70 j100+xE100 ~20tau+Etmiss 35+xE45 60+xE60 ~5B physics 26 with mB/mJ/ 26 with mB ~20

Total ~200

Optimization of efficiency/rejection and CPU load / data volume.

Rate·Event size (1.6MB) needed band widths / storage volumeRate·CPU time number of processors (500?)


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Vorlesung 4CMS II

threshold ~30 GeV

Inclusive e/ triggerrate for high lumi

with/without isolation.

L1 e/ TRIGGER

SelectionThreshol

d[ET in GeV]

Rate[kHz]

1 e/ 17 / 26 11 / 21.52 e/ 12 / 15 1.4 / 5.2

Total rate 13 / 27

threshold ~20 GeV

e/ pair trigger ratefor high lumi with/without isolation.

EM isolation for e/jets

Tolerable rate dictates ET thresholds. Isolation criteria vital for rate control.


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Vorlesung 4CMS IIL1 /hadron TRIGGER

25 GeV threshold, but no single tau / hadron trigger planned for (hadr. decays HA calibration?).

Selection EM Isolation Rate20 GeV 7 GeV 16 kHz40 GeV 10 GeV 2.1 kHz

25 GeV+ETmiss

1-2 kHz

L1 tau/hadron efficiency as function of tau pT.

Problems:- Core definition (2•1,2•2,2•2+4•4 etc.)- isolation threshold definition.

For Z, W with additional lepton or ETmiss.


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Vorlesung 4CMS IIL1 JET TRIGGER: 1,3,4 JETS

Efficiency to flag a jet RoI at high lumi.How low can you go?

Type Low lumi High lumi

1 jet ET>180GeV

ET>290GeV

3 jets

ET>75GeV

ET>130GeV

4 jets

ET>55GeV

ET>90GeV

Rate assigment defines thresholds and jet windows.

Performance depends on- window for ET determination,- jet element thresholds, - declustering procedure.

Njet=1

Njet=4180 GeV

55 GeV

Jet trigger rates (low lumi), assign 200Hz for 1,3,4 jet processes


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Vorlesung 4CMS II

L1 MUON TRIGGER PERFORMANCE

TGC efficiency for different thresholdssharp rise, good .

Type Barrel

Endcap All Non-

pp6 GeV 10 13.2 23.2 >0.4

20 GeV 1 2.8 3.8 >0.026

Mainly want to trigger W/Z. Semilept.b,c is background (L2).

Fake rates from backgroundparticles about 10Hz/cm2? Newmuon studies assume less rate.

Muon trigger rates overview [kHz]


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Vorlesung 4CMS IIHLT: CALORIMETER TRIGGERS

Second sampling(0.025•0.025):

24X0

Back sampling(0.05•0.025): 2-12X0

• Main backgrounds in L1 sample: 0 and narrow hadronic jets.• Algorithms mainly based on ET, hadronic leakage, lateral shower shape and sub-structures in cluster (use of track veto possible).

Variables:- EM-ET in 3•7 cells E=wgl(wps*Eps+E1+E2+E3)- HA-ET

- lateral shape in 2. sampling: R = E3*7 / E7*7 >0.9 for e- lateral shape in 1. Sampling for narrow hadr. showers or jets with small Ehad

- Cuts tuned for >0.95 with large jet rejections

First sampling with finer cell granularity for 0 rejection

(0.003•0.1): 6X0


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Vorlesung 4CMS IIHLT TRIGGER: 40(60)i, 220i

2 peaks from0 / narrowhadronic shower

from jet BG(first sampling)

1 peak fromreal

Validation of L1 ET,, information (granularity, calibration) sharper cuts on ET + cluster shape analysis.

Efficiency for 20 GeV photons at high lumi.

Single photon efficiency > 90% (diphoton triggers >80%; f(ET)).

100 (600) Hz on L2 for triggers.Jet rejection of ~3000.


80

Vorlesung 4CMS IIHLT ELECTRON: e25(30)i, 2e15(20)i

Similar to photons, but looser cuts. Track search in inner detector (reject neutrals, cuts on pT, shower shapes etc.).

L2 e/ triggerefficiency for

30 GeV electrons,(high lumi).

Electron triggers: rate of 100 (600) Hz after L2 selection.

Service crack betweenbarrel and endcap

Efficiency afterL1+L2 for single30GeV electrons

at high lumi.

Crack betweenbarrel halves


81

Vorlesung 4CMS IIHLT JET TRIGGER: 1,3,4 JETS

L2 jet efficiency for50,100,150 GeV asfunction of threshold(cone, threshold fromtrigger jet).

L2/L1 reduction forlow lumi at 90(95)%

L2(L1) 1-jet efficiency(2 at 80 GeV).

Hard to suppress BG without inv. Mass cuts. Sum cells to 0.1•0.1; run jet algo on 1.0•1.0 window around RoI.

Type L1 [kHz]

L2 [kHz]

J180 0.2 0.123J75 0.2 0.084J50 0.2 0.04

Rates for =95(90)% L1(L2).

Algorithms? Cell noise cut?Threshold definition? Window size?

L1 TT cut 1 GeV


82

Vorlesung 4CMS II

• Get pT(MDTs), extrapolate track• Reduce L1 rate by ~100 (harder

cuts or more subdetectors)• Reduce BG from b-decays by factor 10 with high W/Z- 95%.

HLT MUON TRIGGER: 20, 210

L2 trigger algorithmefficiency in barrelfor two thresholds.

Efficiency >95% with r.m.s momentum resolution of 1-2 GeV (7% for 6 GeV)).

--- W,Z signal • b,c BG

Also ET criteriain calo cones

200(300) Hz L2 trigger rate for signatures (without B triggers with

exclusive requirements on masses).

Calo discriminatesW/Z vs. b,c.

vorlesung 4 cms ii der cms-detektor ii gas-detektoren, muon-kammern, trigger thomas...

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