Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 1 Commissioning du système de déclenchement de niveau 1 calorimètre du détecteur ATLAS Damien Prieur Rutherford Appleton.

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1 Damien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 1 Commissioning du système de déclenchement de niveau 1 calorimètre du détecteur ATLAS Damien Prieur Rutherford Appleton Laboratory - STFC

2 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 2 Sommaire Le LHC & le détecteur ATLAS Le système de déclenchement Niveau 1 Calorimètre Commissioning & rayons cosmiques

3 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 3 Le Large Hadron Collider - LHC Collisions pp à √s = 14 TeV Période de croisement: 25 ns 10 11 protons par paquet Luminosité initiale: L 0 = 10 31 cm -2 s -1 Luminosité initiale: L 0 = 10 31 cm -2 s -1 (L = 50 pb -1 /an) (L = 50 pb -1 /an) Basse luminosité : L 0 = 10 33 cm -2 s -1 Basse luminosité : L 0 = 10 33 cm -2 s -1 (L = 10 fb -1 /an) (L = 10 fb -1 /an) Luminosité nominale: L 0 = 10 34 cm -2 s -1 Luminosité nominale: L 0 = 10 34 cm -2 s -1 (L = 100 fb -1 /an) (L = 100 fb -1 /an) Premières collisions: été 2008 Premières collisions: été 2008 4 Détecteurs: ATLAS & CMS: collisions p-p, modèle standard et au delà LHCb: collisions p-p, physique du B, violation de CP ALICE: collisions ion-ion/p-ion, plasma quark-gluon

4 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 4 Caractéristique du détecteur Longueur: 44 m, Diamètre: 22 m Poids: 7000 t Point d’interaction des faisceaux Le détecteur ATLAS Détecteurs internes Détecteur à pixel Semi-Conductor Tracker (SCT) Transition Radiation Tracker (TRT) Les calorimètres Electromagnétique Hadronique Solénoïde 2T Spectromètre à muons Monitored Drift Tubes (MDT) Cathode Strips Chambers (CSC) Resistive Plate Chambers (RPC) Thin Gap Chambers (TGC) 8 aimants toroïdaux

5 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 5 Sections efficaces & taux de production 70 Section efficace p-p inélastique: 70 mb 23 23 collisions par croisement ( 10 34 cm -2 s -1 )  Empilement d’événements  10 9 interactions/s (haute luminosité) Besoin d’une sélection pour ne garder que les évènements importants Prospection de processus à faible xs 10 12 Facteur de réjection 10 12 ( H   120 GeV) Chercher un aiguille dans une botte de foin… Limites technologiques: Taille évènement: 1.5 Mb Débit de stockage: 300Mb/s 40 200  Réduction du taux d’acquisition de 40 Mhz à 200 Hz

6 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 6 Stratégie de déclenchement 1/2 CD (300 Mb/s) 4 CDs (3 Gb/s) 160 CDs (120 Gb/s) RoIB High-level Trigger ROD Other detectors Calorimeters Muons CALO trigger MUONS trigger CTP Level-1 L1A. 40 MHz 75 kHz <2.5  s ROB Det. readout DAQ Event Builder ROS Level-2 <40 ms L2SV EFN L2A. 2 kHz RoI requests RoI Data Regions of Interest (RoI) Event Filter ~1 s L2N EF Acc. 200 Hz Full events hardware Software 300 Mb/s 120 Gb/s 3 Gb/s L1 Electronique dédiée (ASICS & FPGAs) Calorimètres & muons Latence 2.5  s L1A 75 kHz L2 ~500 dual CPUs Granularité complète Régions d’intérêt (~2%) Latence ~40 ms L2A 2kHz Event Filter (L3) ~1600 dual CPUs Evènement complet & accès aux données d’étalonnage Reconstruction plus raffinée Algorithme offline Latence ~1s 200Hz

7 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 7 Déclenchement de Niveau 1 (L1) 3 sous-systèmes L1 - Calorimètres (L1Calo) L1 - Muons Central Trigger Processor (CTP ) Identification de signatures e/  /hjets  e/ ,  /h, jets,  Multiplicité par seuils en p T Critères d’isolation E T manquante, E T totale, E T jet CTP Chef d’orchestre… Preprocessor Cluster Processor e/  /h e/ ,  /h Jet/Energy Processor jetsE T jets, E T Muon Barrel Trigger Muon Endcap Trigger Muon-CTP Interface Central Trigger Processor LAr TileRPCTGC RoIB L2 supervisorDetector readout

8 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 8 Central Trigger Processor (CTP) Reçoitsynchronisealigne Reçoit, synchronise et aligne les informations de déclenchement Autres signaux: Déclenchement aléatoire Etalonnage Evénement de biais minimum (MBTS) Génère la décision de niveau 1 (L1A) Menu de déclenchement programmable Latence 100 ms (4BC) Distribue le L1A aux sous détecteurs

9 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 9 L1 calorimètres - Architecture L1Calo partitionné en 3 sous systèmes  Chaque module transmet ces informations en temps réel au CTP  DAQ + RoIs à chaque L1A ( 100kHz ) Pré-Processeur (PPM) Reçoit signal analogique en provenance des calorimètres et l’échantillonne Tours de déclenchement Granularité réduite ( Tours de déclenchement ) Identification croisement (BCID) E T Reconstruit E T Processeurs JEM & CPM Exécute algorithmes de physique Recherche & Identification:  leptons isolés, taus  jets Calcule E T totale, manquante,…

10 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 10 Tours de déclenchement (TT) LArTuiles (segmentation semi-projective) 3584 x 2 (EM+HAD) tours de déclenchement 0.1x0.2 3.1 <|  |< 3.2 0.4x0.4125 3.2 <|  |< 4.9 0.2x0.2 2.5 <|  |< 3.1 0.1x0.1 |  |< 2.5  x  Position

11 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 11 10 Echantillonnage 40 Mhz, Flash-ADC 10 bits 1 ADC = 250 MeV Piédestal 40 ADC PPM Receveurs (Rx) Prépare signal pour transmission au L1 (2,5V  250GeV) Gain variable Conversion E  E T Monitorage local du signal Pre-Processor Module – Reconstruction de l’énergie Transmission Processeur & DAQ 5 échantillons du signal (5x10b) & E T (8b) 10 Etalonnage E T Look-Up Table Look-Up Table (LUT) Soustraction piédestal, suppression bruit ADCGeV Conversion ADC (10b)  GeV (8b) 1023 255 E seuil 8 Identification du croisement de faisceaux (BCID) Détermine position maximum du signal (linéaire/saturé) Filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR) Assigne E T au ‘bon’ croisement de faisceaux a0a0 a1a1 a2a2 a3a3 a4a4 +

12 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 12 Etalonnage des pré-processeurs Réglages en temps: Pour assurer que les données relatives à 1 évènement sont:  échantillonnées correctement (3 ème échantillon au maximum)  envoyées aux processeurs de façon synchrone  lues correctement par DAQ à chaque L1A Procédures automatiques “PHOS4 scan” - Echantillonnage par pas de 1 ns Différentes stratégies en fonction de l’origine du signal (étalonnage, cosmiques, collisions,…) Energie: Filtre FIR:  Optimise rapport signal/bruit  Pas de filtrage pour le moment (00100) Conversion ADC  GeV (LUT)  “Energy scan”  Pas de procédure automatique  Soustraction du piédestal de 40 ADC  E T = ADC/4 ( 1ADC  250MeV )  Seuil de 6 GeV Procédures en cours de développement ! de développement ! 1023 255 6 GeV 40ADC

13 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 13 Installation & Commissioning Système complètement installé dans USA15 depuis Janvier 2008 Production des modules achevée Dernier modules installés Fin du câblage Phase de commissioning Tests du système Procédure d’étalonnage avec les calorimètres Analyse de données provenant de rayons cosmiques Muons cosmiques: Fonctionnement & stabilité des modules/processeurs in situ Compréhension de la chaîne d’acquisition:  Analogique & digitale  Comparaison Calorimètres/L1Calo Tests de déclenchement muons  preuve du fonctionnement du L1Calo Plusieurs campagnes (Mx) d’intégration & de prise de données

14 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 14 Run 29576 Un muon cosmique… Tuiles L1Calo - HAD Argon liquide

15 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 15 Corrélation de l’énergie avec les calorimètres Comparaison de l’énergie reconstruite par L1Calo avec les calorimètres Partie tonneau: |η|<1.3 E LAr =  (E PS +E S +E M +E B ); E Tuile =  ( E A +E BC +E D /2) Gain des receveurs: 2 Lar : conversion E  E T Tuiles: mesure E directement Run 32837 (M5)  Résultats préliminaires mais bonne corrélation !  Nécessite un réglage en temps Calo/L1Calo correct  Premiers muons vus par le Lvl1-Calo !

16 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 16 Menu & taux de déclenchement 1TAU6 1EM1 1J4 + 1TAU6 1J4 + 1EM1 1J4 83% 11% 5% rate (Hz) luminosity block 0 99 9kHz rate (Hz) luminosity block 0 99 1 1EM1 1TAU6 1J4 RNDM0  M6  Run de 8 heures (1 luminosity block: 5 minutes)  Changement pré-scale RNDM trigger (LB=13,25)  Taux de déclenchement L1Calo stable

17 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 17 Système complètement installé depuis Janvier 2008 Beaucoup de tests et de runs techniques réalisés avec les sous détecteurs Qualité signal, câblage,… Intégration avec autres sous détecteurs Campagnes de commissioning dédiées (Mx runs) Implication croissante, beaucoup de progrès Expérience du système grandissante Synchronisation inter systèmes (non trivial) Maîtrise du taux de déclenchement, diminution des seuils On trig sur des muons ! Strategie etallonage /DB Effort -> concentre Mx -> experience du systeme Integration monitoring et outils de config Conclusions & Perspectives… Objectifs: Système opérationnel pour le démarrage du LHC  pas d’erreur dans la partie digitale  réglage en temps & étalonnage raisonnable  +95% des canaux actifs Développement stratégies & procédures d’étalonnage Performance  efficacité du déclenchement  correction canaux morts… Etalonnage de l’énergie raisonnable suffisant pour voir et declencher sur les muons

18 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 18 Merci de votre attention !

19 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 19 B A C K U P...

20 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 20 Sections efficaces & taux de production – I 70 Section efficace p-p inélastique: 70 mb -> 10 9 interactions/s (haute luminosité) ProcessusTaux ( 10 34 cm -2 s -1 ) Paires bb 5x10 6 s -1 Paires tt 8 s -1 W  e 150 s -1 Z  e e 15 s -1 Higgs (150 GeV) 0.2 s -1 Gluino Squarks 0.03 s -1 (1TeV) Le LHC est une usine à W, Z, top: lots de données importants, étude des effets systématiques faibles erreurs statistiques, mesures de précision recherche de processus rares

21 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 21 Calorimètre électromagnétique - Bouchon Cryostat Calorimètre électromagnétique - Tonneau Calorimètre hadronique à tuiles Calorimètre hadronique - Bouchon Calorimètre vers l’avant Les calorimètres

22 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 22 5x10b FADC samples 4010b 44544945 Samples subtraction 4041495 000 3b position 3b position A B-A C-A D-AE-A 3b4b4b3b6b Compression Menu Find matching item in Compression Menu 1001110 1001101 101000 001 3b position 1101 4b Comp. Code + 6b3b4b4b3b 27 bits 50 bits Non-Sorting compression method Find minimum 4044544945 000 3b position 3b position + A B C DE  Larger bit fields are now required to encode FADC data

23 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 23 ROD/ROS - Compression de données - Noise level scaled by an arbitrary factor x0.4x2 - Global factor applied to electronic noise: x0.4  x2  Fixed size format robust to noise level changes 70%  Compression factor could be kept above 70%

24 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 24 Réglage temporel des signaux Bunch crossing Temps d’arrivée du signal de physique 3 ème échantillon au maximum Estimation du maximum par fit parabolique Bunch crossing EM HAD EM HAD

25 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 25 Pre-Processor Module (PPM) - I Principal composant du système de pré-processeurs 124 124 PPM identiques dans 8 crates 64 64 tours de déclenchements par PPM Données traitées par ASIC Transmission série de l’énergie reconstruite aux CP & JEP (temps réel)

26 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 26 CPM

27 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 27 JEM

28 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 28 Formation des RoIs Hadronic Trigger Towers ( 0.1x0.1 ) 53 GeV 46 GeV Jet elements ( 0.2x0.2) 99 GeV JEM RoI ( 0.4x0.4 )

29 Rutherford Appleton LaboratoryDamien Prieur - LAPP - 28 Mars 2008 29 Piédestaux & bruit électronique Mean: 40.22 Mean: 40.27 Bruit EM: 190 MeV 0 5 Bruit HAD: 390 MeV 0 5 Piédestaux EM Piédestaux HAD Bruit électronique (coups d’ADC)

30 30 Larg timing (offline monitoring) In sequence top/bot: L1calo, MBTS, Tile (nim0), Mu2, Mu3 for emeca, L1calo Heca