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The CMS Trigger

This article discusses the cross sections and rates in the CMS trigger system, highlighting the different processes and their varying magnitudes. It explains the principles of triggering, the properties of trigger objects, and the architecture of the CMS Level-1 Trigger. The article also delves into the evolution of trigger requirements and the strategies employed in the Level-1 Trigger.

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The CMS Trigger

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Presentation Transcript

  1. The CMS Trigger

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

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

  4. CMS Detector (Compact Muon Solenoid)

  5. Triggerstufen in CMS Level-1 Trigger Makrogranulare Information aus Kalorimetern und Müonsystem (e, m, Jets, ETmissing) Schwellwert- und Topologiebedingungen möglich Entscheidungszeit: 3,2 ms Eingangsrate: 40 MHz Ausgangsrate: bis zu 100 kHz 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 kHz Ausgangsrate (Datenakquisition): ca. 100 Hz Industrielle Prozessoren und Switching-Netzwerk

  6. Conventional Concept with 3 Steps Investment in specialized processors, control

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

  8. 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

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

  10. Architecture of the Level-1 Trigger

  11. 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 pT/ET (e/g, m, hadron jets, t-jets) • Determination of location coordinates (h,f) and quality • Global • Sorting of candidates by pT/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 (pT/ET, NJets) • geometric correlations • - e.g. back-to-back events, forward tagging jets • - more detailed topological requirements optional • - location information for HLT • - diagnostics

  12. e/g f Jet h 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

  13. Local / Regional Electron/Photon Trigger Trigger primitive generator (local) Flag max of 4 combinations (“Fine Grain Bit”) Regional calorimeter trigger ET cut Hit +max of > ET threshold Longitundinal cut hadr./electromagn. ET / < 0.05 Hadronic and electromagnetic isolation < 2 GeV One of < 1 GeV Electron / photon

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

  15. { 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

  16. 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.

  17. Drift Tube Chambers Cathode Strip Chambers Local Muon Trigger 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

  18. 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 • Spuren mit kleinem pT 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 Drift Tube Trigger (CSC Trigger similar)

  19. 4/4 High pT 3/4 3/4 Low pT 4/4 Regional RPC Muon Trigger RPC-Trigger is based on strip hits matched to precalculated patterns according to pT and charge. 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.

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

  21. L1 single & di-muon trigger rates Trigger rates in kHz |h| < 2.1 100 kHz DAQ8 kHz for m, mm 50 kHz DAQ4 kHz for m, mm 20, 6;6eW =82.3 %eZ =99.6 %eBsmm = 9.9 % 12, 8;8eW =91.4 %eZ =99.7 %eBsmm =14.5 % 14, -;-eW =89.6 %eZ =99.8 %eBsmm =27.1 % 25, 5;5eW =74.1 %eZ =99.5 %eBsmm =14.3 % working points compatible with current L1 pT binning L = 1034cm-2s-1 L = 2x1033cm-2s-1

  22. 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 ET, h, f • Best 4 non-isolated electrons/photonsET, h, f • Best 4 jets in forward regions ET, h, f • Best 4 jets in central region ET, h, f • Best 4 t-Jets ET, h, f • Total ETSET • Total ET of all good jets HT • Missing ETETmissing, f(ETmissing) • 12 jet multiplicities Njets (different ET thresholds and h-regions) • Best 4 muons pT, charge, f, h, quality, MIP, isolation • Thresholds (pT, ET, NJets) • Optional topological and other conditions (geometry, isolation, charge, quality)

  23. 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.

  24. Global/Central Trigger within ATLAS and CMS Algorithm and input bits Algorithm- 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. 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 RoI electronics for the Level-2 Trigger is necessary.

  25. 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(mH) • Bei LEP (√s ≤ 209 GeV) wurden mögliche Higgskandidaten gefunden. • Offizielles Resultat: • mH > 114.1 GeV • Suchstrategie bei LHC je nach Higgsmasse: - 80 GeV < mH < 140 GeV H -> gg, H -> bb 130 GeV < mH < 700 GeV H -> ZZ(*) -> 4 l (l = e,m) 500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 l + 2 Jets 500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 l + 2 n 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> WW-> l + n + Jets 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ-> 2 l + 2 Jets Standardmodell-Higgs

  26. mH = 130 GeV H ->gg Higgssignal Ereignisse / 500 MeV für 100 fb-1 mgg Analyse-Ereignisselektion: 2 isolierte elektromagnetische Cluster, keine passenden Spuren im Tracker Mögliche L1-Triggerselektion: 2 isolierte “e/g”

  27. H -> ZZ(*) -> 4 Leptonen Mögliche L1-Triggerselektion: 2 oder mehr isolierte “e/g” oder m m(4l) / GeV Ereignisse / 2 GeV mH = 150 GeV

  28. Signal Untergrund H -> Leptonen, Neutrinos, Jets Ereignisse / 200 GeV mH = 800 GeV m(2l, 2 Jets) / GeV Mögliche L1-Triggerselektion: 2 “e/g” oder 2 m 1 oder 2 Jets Andere Kanäle: 1 oder mehr Leptonen, fehlende Energie, Jets

  29. H -> WW -> ln + ln für mH ~ 2mW Für mH = 170 GeV ist das Verzweigungsverhältnis ca. 100 mal größer als für H->ZZ*->4l. Durch Ausnützung von W+W- -Spinkorrelationen kann man “irreduziblen” Untergrund unterdrücken. Man sucht nach l+l- - Paaren mit kleinem Öff-nungswinkel. Mögliche L1-Triggerselektion: 2 “e/g” oder 2 m Option: |Df| < 450

  30. Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) gibt es 5 Higgs-Bosonen: h0, H0, A0 and H±. Man braucht 2 Parameter zur Bestimmung der Eigenschaften: mA, tanb. Bei großem mA sind die Kopplungen des h0 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 mA und tanb sind unterdrückt. Die folgenden Zerfallskanäle sind wie für das SM-Higgs zu behandeln: h, A -> gg (für mA < 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, mm (t-Kanäle im Vergleich zum SM wichtig für große tanb) A -> tt; (H, A -> hh; A -> Zh) A, H -> supersymmetrische Teilchen H± -> tn, tb Vektorbosonfusionskanäle qq ->qqHiggs ebenfalls möglich: mit h, H -> tt; H -> gg; h, H -> WW -> llnn; h -> c0c0 - - ~ ~ Supersymmetrische Higgs-Teilchen

  31. tth(H) -> l±nqqbbbb Ereignisse / 10 GeV minv (Jet, Jet) /GeV mH = 115 GeV - h0, 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 mH = 115 GeV: S/√B = 5.3, Dm/mH = 3.8% Mögliche L1-Triggerselektion: 1 isoliertes Lepton und mehrere Jets

  32. 10 fb-1 bei 1033cm-2s-1 H, A ->tt Aufgrund der hohen Rate überspannt dieser Kanal einen weiten Parameterbereich. Zugängliche Endzustände: t (-> enent) t (-> mnmnt) t (-> h± p0’s nt) t (-> lnlnt) t (-> h± p0’s nt) t (-> hmp0’s nt) Ereignisse / 5 GeV Mögliche L1-Triggerselektion: 1 e/g oder m 1 t-Jet Fehlende Energie

  33. ~ ~ pp -> qq Squarks, Gluinos Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Mögliche L1-Triggerselektion: Mehrere Leptonen: “e/g” oder m (beliebige Kombinationen) Mehrere Jets Fehlende Energie je nach Zerfallskanal

  34. Beispiel für Drell-Yan-Produktion von c1±c20: qq -> W* -> c1±c20 -> c10 l±n + c10 l+l- c20 -> l±lm -> c10l+l- oder c20 -> c10 l+l- ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Charginos, Neutralinos, Sleptonen ~ ~ Ereignisse / 5 GeV SM- Untergrund Endzustand mit 3l + fehlender Energie, keine Jets Mögliche L1-Triggerselektion: Mehrere Leptonen: “e/g” oder m (2 oder 3, beliebige Kombination) Fehlende Energie Jetveto

  35. Raten und Algorithmen • Ausgangsrate maximal 100 kHz (25 bis 30 kHz 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 GeV

  36. 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 (3,2ms) • - 200 ns (8 Strahlkreuzungsintervalle)

  37. Effizienzen fuer mu kein Problem, jedoch evtl. fuer Jets aus mSUGRA fuer hohe Lumi Technische Anforderungen • Technische Trigger zusätzlich zu Physiktriggern • - Kalibration, Synchronisation, Tests • 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)

  38. 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 (L1A) und von Zeitinformation (LHC clock etc.) zwischen dem Trigger und der Detektorelektronik dient. Das Triggersteuersystem steuert die Ausgabe von L1A-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.

  39. 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/LHCC51.html • “The concept of the L1 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.”

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

  41. High Level Trigger Challenges • Rate reduction • Design input rate: 100 kHz (50 kHz at startup with luminosity 2x1033 cm-2s-1), i.e. 1 event every 10 ms. Safety factor of 3: 33 kHz (16.5 kHz). • 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 kHz): • electrons/photons (8 or 4 kHz) • muons (8 or 4 kHz) • t-jets (8 or 4 kHz) • jets + combined channels (8 or 4 kHz) • 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.

  42. 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 L1 rate need 100 GByte/s capacity.

  43. Electron/Photon HLT Algorithms “Level-2.0” Only calorimeter information used. Algorithm based on clustering of energy deposits in crystals (barrel) and crystals / 3X0 preshower (endcaps) and subsequent estimation of ET and position. Energy corrections for unrecovered bremsstrahlung are applied (also already at L1). “Level-2.5” Matching with pixel detector hits. Separate streams for electrons and photons. Lower ET thresholds for electrons than photons.

  44. 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

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

  46. HLT Algorithms for t’s “Level-2” xxx

  47. HLT Algorithms for ’s “Level-2” xxx

  48. Conclusions “Level-2” xxx

  49. 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.

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