Physics at Hadron Colliders

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1 Physics at Hadron Colliders Physics at the Tevatron: Lecture I Marina Cobal University of Udine 1 Trieste, fisica sperimentale nucleare e subnucleare

2 Dati e Trigger 2

3 Un po di gergo, per cominciare On-line Tutto quanto avviene sull esperimento, durante la presa dati Off-line Quanto avviene DOPO la presa dati, o comunque in un ufficio piuttosto che sull esperimento Un CD musicale contiene circa 700MByte di dati 1PByte=1.000TByte= GByte= MByte Un PC : Pentium IV, 2.8GHz, 40-80GByte di hard disk 3

4 Qual e il contenuto dei dati? Digitizzazione : Indirizzo : quale elemento del detector ha registrato un informazione Valore : cosa l elettronica ha registrato Tipo di detector, calibrazione Calcolo dell informazione spaziale (allineamento) Controllo della validita dell informazione, conversione ad un formato comprensibile Ricostruzione 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 4

5 Da Bits a GeV e cm I raw data sono espressi generalmente in conteggi ADC o TDC Richiedono conversione in energia o posizione Il tipo di conversione varia da detector a detector Ogni detector richiede qualche tipo di calibrazione Le costanti di calibrazione devono essere storate e continuamente updatate Run di calibrazione all inizio/durante la presa data Il software di ricostruzione deve poter accedere alle costanti di calibrazione piu recenti in ogni momento 5

6 Dove sono i detector? I tracking detector sono strumenti di incredibile precisione Silicon strip detectors Pixel detectors Tubi a drift La posizione di ognuno di essi deve essere conosciuta con lo stesso livello di accuratezza Allineamento meccanico Misurazioni prima dell assemblaggio Allineamento tramite laser in situ Allineamento con traccie cariche da collisioni primarie, raggi cosmici Effetti dovuti a campi magnetici, criogenia, variazioni di temperatura Processo continuo -> database 6

7 Run conditions Parametri di calibrazione Dati SW di di allineamento configurazione File di configurazione del trigger Temperature Soglie Voltaggi Voltaggi Slow control Pressione Guadagni dei Misure vari sistemi di temperatura di gas Parametri. dell acceleratore Pressione gas (luminosita` istantanea, posizione Correnti di buio nominale del vertice etc.) Monitoraggio Rate di trigger Efficienza dei detector Tutto questo deve essere salvato (in un Condition DB) per essere Wire maps disponibile ad ogni momento 7

8 Ricostruzione Determinare quali particelle sono state create nell interazione, e dove e con quale energia/ impulso Alcune particelle/risonanze hanno vita media breve e decadono in volo. Queste vengono ricostruite tramite i loro prodotti di decadimento Certe particelle (neutrini) attraversano il rivelatore senza venire individuate e scompaiono senza lasciare traccia 8

9 Ricostruzione (2) Lo scopo ultimo e` quello di combinare l informazione raccolta dal detector (hits nel tracker, celle calorimetriche) per formare traccie e cluster di energia per: Ricostruire particelle cariche (elettroni, muoni ) Ricostruire particelle neutre Identificare le particelle ricostruite (a seconda della loro segnatura nei vari sottosistemi) Ricostruire il vertice di interazione ed i possibili vertici secondari (decadimenti in volo) Ricostruire la cinematica dell evento Esercizio geometrico-matematico tutt altro che banale 9

10 Bunch crossing rate 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 10

11 Processes and Cross CDF Cross section: Total inelastic cross section is huge 11 Used to measure luminosity Rates at e.g. L=1x10 32 cm -2 s -1 : Total inelastic: 70 MHz bb: 42 khz Jets with E T >40 GeV: 300 Hz W: 3 Hz Top: 25/hour Trigger needs to select the interesting events Mostly fighting generic jets! Jet E T >20 GeV Jet E T >40 GeV Events/fb x x10 5 7x10 3 3x

12 1.7 MHz crossing rate Dedicated hardware 12 CDF Detector 42 L1 buffers 25 khz L1 accept Hardware + Linux PC's Triggering at hadron colliders The trigger is the key at hadron colliders 4 L2 buffers 500 Hz L2 accept Linux farm (200) 100 Hz L3 accept L3 farm disk/tape L1 trigger L2 trigger Hardware tracking for p T 1.5 GeV Muon-track matching Electron-track matching Missing E T, sum-e T Silicon tracking Jet finding Refined electron/photon finding Full event reconstruction DØ trigger: L1: 1.6 khz L2: 800 Hz L3: 50 Hz

13 Trigger Operation Aim to maximize physics at trigger level: Trigger cross section: 13 Nevent/nb -1 Independent of Luminosity Trigger Rate: Cross Section x Luminosity Luminosity falls within store Rate also falls within store 75% of data are taken at <2/3 of peak luminosity Use sophisticated prescale system to optimize bandwidth usage Trigger more physics! CDF DØ L1 bits L2 bits 125 >128 L3 bits

14 Event rate N = n.ro eventi / sec L = luminosita` = cm -2 s -1 σ ινελ = sezione d urto inelastica = 70 mb E = n.ro eventi / bunch Δt = spaziatura fra i bunch = 25 ns N = L x σ ινελ = cm -2 s -1 x cm 2 = Hz Ε = N / Δτ = s -1 x s = 17.5 (alcuni bunch sono vuoti) = 17.5 x 3564 / 2835 = 22 eventi / bunch LHC produce 22 interazioni p-p sovrapposte ogni 25 ns! 14

15 Trigger Rate vs Physics Cross Section Acceptable Trigger Rate << many physics cross sections 15

16 Tevatron versus LHC Cross Sections Cross Sections of Physics Processes (pb)! Tevatron LHC * Ratio W ± (80 GeV) tt (2x172 GeV) gg H (120 GeV) ~~ χ + 1 χ2 0 ~ ~ ~ (2x150 GeV) qq (2x400 GeV) gg (2x400 GeV) Z (1 TeV) * LHC numbers at 14 TeV Amazing increase for strongly interacting heavy particles! LHC has to trigger >10 times more selectively than Tevatron 16

17 Trigger/DAQ at the LHC CoM Energy Bunch spacing Nikos Konstantinidis 14 TeV Design Luminosity cm -2 s -1 Interactions per x-ing ns The ATLAS HLT Event Selection Software High rate ( 40 MHz) High granularity large event size ( 1-2 MBytes)

18 Data rates Ogni 25ns un evento illumina il detector Un evento 1-2Mbytes 40 milioni di eventi al secondo! Centinaia di Tbytes/sec! Un rate simile non e chiaramente sostenibile E necessario operare una pre-selezione (a livello del detector stesso) che riduca drasticamente la quantita di dati da trasferire senza influenzare le capacita di scoperta dell esperimento Trigger/DAQ Molteplici livelli di selezione 18

19 ATLAS Trigger Strategy HLT Nikos Konstantinidis The ATLAS HLT Event Selection Software

20 Potere di selezione Per l Higgs: Cioe` 1 : Un evento ogni diecimila miliardi! Un fattore di piu` che per Z 0 -> ll ad ogni altro collider adronico (CERN SppS e Fermilab Tevatron) 20

21 Molteplicita η = rapidita` = log(tgθ/2) (longitudinal dimension) u ch = n.ro part. cariche / unita`-η = 7 n ch = n.ro part. cariche / interazione N ch = n.ro totale part. cariche / BC N tot = n.ro totale particelle / BC n ch = u ch x η = 6 x 7 = 42 N ch = n ch x 22 = ~ 900 N tot = N ch x 1.5 = ~ 1400 molto piu complesso di un evento a LEP Lo LHC illumina un detector con ~1400 particelle ogni 25 ns 21

22 Interazioni ogni 25 ns In 25ns le particelle percorrono 7.5 m Time-of-flight 22 m Weigh t: 7000 t 44 m Lunghezza dei cavi~100 metri In 25ns il segnale percorre 5 m 22

23 40 MHz Trigger Questo rate non puo` essere assorbito senza 100% dead time (l esperimento e cieco) ARCHITETTURA DAQ Questo data rate non puo` essere sostenuto (ovvie limitazioni di larghezza di banda) 10 s PB/s (equivalent) Non e necessario assorbirlo, la maggior parte di esso non è interessante Limitazioni al volume totale di dati arrivano anche dal sistema di storage e dal processing offline ~ 100 Hz Fisica ~ 100 MB/s 23

24 40 MHz Trigger Tre livelli di selezione LVL1 - il piu veloce: Solo Calo e Mu Hardwired ARCHITETTURA DAQ 10 s PB/s (equivalenti) LVL2 - Locale: raffinamento LVL1+ associazione alle tracce LVL3 - eventi interi: analisi Offline ~ 100 Hz Fisica ~ 100 MB/s 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 24

25 Lvl-1 25 ns : Particelle: 7.5 m Alcuni detector richiedono piu tempo per sviluppare il segnale Signale nei cavi: 5 m Elettronica.. Nel tempo richiesto dal Lvl-1 tutti i segnali devo essere 25 Maggio 2005 immagazzinati A. Dell'Acqua in code - CERN PH/SFT elettroniche (pipelines) 25

26 Lvl1 - Solo Calorimetri and Muoni 34 In confronto all Inner Detector a L=10 34 (50ns di integrazione 1000 tracce) Complessita degli algoritmi + Enorme quantita` di dati Pattern recognition molto piu semplice in calo & muon: 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 26

27 Lvl-2 Il rate accettato da Lvl-1 e` dominato da: QCD background (frammentazione dei jet) che simula elettroni punch-throughs muoni reali da decadimenti di π... Puo` essere ridotto a Lvl-2 con un analisi locale. El: 1. Raffinamento dell energia dei cluster. 2. Match traccia-energia. Mu: 1. Raffinamento della misura dei muoni (camere a mu) 2. Match traccia muonetraccia dall IDET. Altri trigger di Lvl-1 (jets ) sono raffinati a Lvl-2. e γ Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo. Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe l'immagine oppure l'immagine essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere potrebbe essere danneggiata. danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene Riavviare il computer e aprire di visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare nuovo il file. Se viene visualizzata di l'immagine e inserirla di nuovo. nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo. jet Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo. µ Punch through Per il processaggio a Lvl-2 (~ms), non e necessario un intero assemblaggio dell evento. Frammenti di evento sono tenuti in buffer separati. 27

28 Lvl-3 Dopo la riduzione a Lvl-2 il volume dei dati e` tale da permettere un assemblaggio dell evento (Event building). L ultimo livello di selezione (Event Filter) ha accesso a: l intero evento i parametri di calibrazione finali. Lvl-3 usa algoritmi off-line per event reconstruction physics analysis. Durante il processaggio (~sec), non c e` bisogno di buffer separati per eventi: questi sono tenuti nella memoria dei processori dell Event Filter. 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 28

29 40 MHz ~3 µs Trigger Tre livelli logici LVL1 - il piu veloce: Solo Calo e Mu Hardwired ARCHITETTURA DAQ Data-flow gerarchico Elettronica in situ : Pipelines 10 s PB/s (equivalenti) ~ ms ~ sec. LVL2 - Locale: raffinamento LVL1+ associazione alle tracce LVL3 - eventi interi: analisi Offline Frammenti di evento - buffer paralleli Full event processing in una farm di PC ~ 100 Hz Fisica ~ 100 MB/s 29

30 ATLAS Trigger/DAQ Overview LVL1 > Latency: 2.5µs (max) > Hardware based (FPGA, ASIC) > Calo/Muon (coarse granularity) LVL2 EF > Latency: ~10 ms (average) > Software (specialised algs) > Uses LVL1 Regions of Interest > All sub-dets, full granularity > Emphasis on early rejection > Latency: few sec (average) > Offline-type algorithms > Full calibration/alignment info > Access to full event possible Nikos Konstantinidis The ATLAS HLT Event Selection Software

31 In termini pratici Lvl-1 Elettronica sull esperimento Processori dedicati Lvl-2 Farm di processori (pseudo-commerciali) 500 PC dual processor, CPU a 8GHz (stima ATLAS) Lvl-3 Farm di processori commerciali 1600 PC, dual processor, CPU a 8GHz (ATLAS) Alla fine della catena gli eventi accettati vengono trasferiti (link ottici) al centro di calcolo del CERN E poi? 31

32 Alla fine della catena di trigger 100Hz -> 100 eventi/sec da registrare 1-2Mbyte/evento LHC prende dati per 2*10 7 secondi all anno 2*10 9 Mbyte in un anno (2PByte) Lo hard disk di un PC contiene 100GByte hard disk! Un DVD/R contiene 4.7GByte DVD! Una pila alta circa 500m! 32

33 Event Selection relies on: Processing in Steps HLT Strategy Alternate steps of feature extraction / hypothesis testing Events can be rejected at any step if features do not fulfil certain criteria (signatures) Emphasis on early event rejection Reconstruction in Regions of Interest (RoIs) RoI size/position derived from previous step(s) Nikos Konstantinidis Emphasis on minimising a. Processing time b. Network traffic

34 HLT Strategy Example LVL1 claims two isolated Signature e30i + e30i e/m clusters with pt>20gev (possible signature: Z >ee) STEP 4 Signature Iso lation e30 + Iso lation e30 Strategy at HLT: > Validate step-by-step > Check intermediate signatures > Reject as early as possible STEP 3 Signature STEP 2 pt> 30GeV e track finding + pt> 30GeV e track finding t i m e Signature ecand + ecand Sequential/modular approach facilitates tuning for early rejection STEP 1 Cluster shape Cluster shape Level1 seed EM20i + EM20i

35 Are your events being triggered? Typically yes, if events contain high p T isolated leptons e.g. top, Z, W events contain very high p T jets or very high missing E T e.g. SUSY Possibly no, if events contain only low-momentum objects E.g. two 20 GeV b-jets Still triggered maybe at Tevatron but not at LHC. This is the first thing you need to find out when planning an analysis If not then you want to design a trigger if possible 35

36 Examples for Unprescaled Triggers ATLAS (*) (L=2x10 33 cm -2 s -1 ) CDF (L=3x10 32 cm -2 s -1 ) MET > 70 GeV > 40 GeV Jet > 370 GeV > 100 GeV Photon (iso) > 55 GeV > 25 GeV Muon iso + p T > 20 GeV > 20 GeV Electron iso + E T > 22 GeV > 20 GeV incl. dimuon > 10 GeV > 4 GeV Increasing luminosity leads to Tighter cuts, smarter algorithms, prescales Important to pay attention to this for your analysis! 36

37 Typical Triggers and their Usage Unprescaled triggers for primary physics goals, e.g. Inclusive electrons, muons p T >20 GeV: W, Z, top, WH, single top, SUSY, Z,W Lepton+tau, p T >8-25 GeV: MSSM Higgs, SUSY, Z Also have tau+met: W->taunu Jets, E T > GeV Jet cross section, Monojet search Lepton and b-jet fake rates Photons, E T >25-55 GeV: Photon cross sections, Jet energy scale Searches: Higgs, GMSB, ED Missing E T > GeV SUSY Prescaled triggers because: Not possible to keep at highest luminosity But needed for monitoring Prescales depend often on Luminosity Examples: Jets at E T >20, 50, 70 GeV Inclusive leptons >8 GeV Backup triggers for any threshold, e.g. Met, jet E T, etc CDF 37

38 Trigger Efficiency for e s and µ s Can be measured using Z s with tag & probe method Statistically limited ε trig = Can also use trigger with looser cuts to check trigger with tight cuts to map out Energy dependence turn-on curve decides on where you put the cut Angular dependence Map out uninstrumented / inefficient parts of the detectors, e.g. dead chambers Run dependence Temporarily masked channels (e.g. due to noise) N trig N ID Muon trigger ATLAS prel. 38

39 Jet Trigger Efficiencies Bootstrapping method: E.g. use MinBias to measure Jet-20, use Jet-20 to measure Jet-50 efficiency etc. Rule of thumb: choose analysis cut where ε>90-95% Difficult to understand the exact turnon 39

40 L off-line La ricostruzione off-line ripete (in maniera molto piu raffinata e precisa) quanto e gia stato fatto a livello di trigger Raw data-> tracce, clusters->particelle -> osservabili Diversi algoritmi, con diversi livelli di accuratezza, che i fisici possono utilizzare a seconda dei canali di fisica che vengo studiati Decine di secondi per evento (se non minuti), da confrontarsi con i ms disponibili per l on-line Ricostruzione quasi in tempo reale Lo LHC produce milioni di eventi al giorno Richiede enormi risorse, in termini di CPU, di storage e di network Fisici di tutto il mondo vogliono accedere ai dati (e scoprire il bosone di Higgs) 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 40

41 Grid 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 41

42 Grid (2) 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 42

43 25 Maggio 2005 A. Dell'Acqua - CERN PH/SFT 43

44 Il modello dell Off-line I raw data rimarranno al CERN Accesso via Grid La prima tornata di ricostruzione avverra al CERN su una farm dedicata (quasi-online) Calibrazioni, tracce, cluster Qualsiasi successivo passo di ricostruzione avverra su Grid A priori non e possibile sapere dove, o dove saranno i dati Cataloghi dei file di dati, Tier-0 (CERN), Tier-1 (centri regionali) L analisi avverra su Grid (per l accesso ai dati) Tier-2 (centri locali) 44

45 Simulazione Cosa pensate che abbiamo fatto negli ultimi 15 anni??????? Male necessario per: Capire la fisica che si cerca di studiare Capire come meglio disegnare un detector Capire come operare un detector Terribilmente CPU-intensive Ciononostante abbiamo simulato milioni e milioni di eventi in ATLAS, CMS, LHCb, ALICE 45

46 Simulazione (2) Generatori di eventi Pythia/JetSet, HERWIG, HiJing, Date le condizioni iniziali (tipo di interazione, energia nel CM ) simulano la reazione fondamentale e la successiva adronizzazione e underlying event Fast simulation Parametrizzazione dei detector e particle smearing Simulazione dell interazioni particelle-materia Geant (3 e 4), FLUKA Modellizzazione del detector, processi fisici fondamentali Simulazione delle catene di elettronica 46

47 Gli esperimenti vengono simulati in ogni piu piccolo dettaglio Eventi simulati vengono prodotti al centro di detector simulati ATLAS e Geant Ogni particella (simulata) viene propagata attraverso il detector (simulato) e la risposta del detector viene simulata Gli algoritmi di trigger vengono simulati 47