Trigger 河野 能知 （CERNHamburg） 実験理論共同研究会 「LHCが切り拓く新しい物理」 4月1－3日、東京大学 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 1 内容 • ATLASトリガー – LHCでの物理とトリガー – ATLASトリガー・システム – Level-1 & HLT slices and their performances • 実験初期のプラン – トリガー・メニュー – 最初のビームから安定したランまで – トリガー・アルゴリズムの性能の理解 • Exotic用のトリガー • まとめ 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 2 Physics at LHC σ (proton-proton) • 主要な物理 • Higgs（様々な崩壊モード） • 新粒子探索 • 大量のQCD過程ジェット事象 • W, Z, topも大量に生成される • 物理の測定および較正用サンプル • QCD過程に比べて断面積が数桁低い 過程を調べる必要がある • 他は崩壊モードによってbranching ratioにより、さらに少なくなる 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 3 トリガーの役割 • 大量の衝突事象から興味のある事象を選ぶ – 衝突頻度： 40 MHz – ディスクへ書き込めるレート: ～200 Hz （300 MB/s） • 最初の事象選別 – オフラインでの解析に用いる事象は何らかの形でトリガー されなければならない • 広範な物理をカバー – トリガーによる効率の理解 • 複数の方法でトリガーしてお互いの理解に用いる 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 4 トリガーに使うシグナル • QCD過程の終状態は主にジェット（2-jet, 3-jet, …） – 大量のQCD過程の中から興味のある事象を選ぶには、ジェット とは異なる特徴的なシグナルが必要 • レプトン – – – – Electron: EM shower shape Muon : Muon chamber Tau (hadronic decay) : Narrow jet 必要に応じてIsolationを要求 • Missing ET – High ET ニュートリノやその他観測されない粒子 • ジェット – b-jet, high-ET jet, Multi-jet • その他、複数のシグナルの組み合わせ 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 5 ATLAS trigger Level-1 （40 MHz ~75 kHz）: Muon chamberとカロリメータの 情報のみを利用 Level-2 （ ~75 kHz ~2 kHz）: 全測定器のデータを利用可能。 ただし、Level-1で何かが見つかっ た領域だけを調べる（デザインで は、全体の約2%） 実行時間 ： 40 ms/event Event Filter（~2 kHz ~200 Hz）: 全測定器のデータを利用可能。 オフラインでの再構成に近いア ルゴリズムを走らせる 実行時間 ： 2-3 s/event 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 6 ATLAS trigger L1_EM7 L2_e10 EF_e10 L1_MU10 L2_mu10 EF_mu10 L1_TAU13_XE20 L2_tau15_xe20 EF_tau15_xe20 広範な物理プロセスをカバーするために、 さまざまなトリガーを同時に走らせる 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） どれか一つのトリガーが 鳴れば、その事象を残す 7 Level-1 trigger system L1 Muon L1 Calo TGC RPC Cluster(e/γ/τ) Processor MuCTPI CTP 出力は、256bit Level-2 2015/10/1 Preprocessor Jet/EnergySum Processor Central Trigger Processor • L1 Muon, L1 Caloから各thresholdをパ スしたオブジェクトの数（multiplicity）を 受け取る • Multiplicityを元に論理を組む MU20(x1), EM7(x2)&&J50 etc. 実験理論共同研究会 （東京大学） 8 Level-1 muon trigger • Muon chamber（RPC、TGC）でのヒットを結んだ曲線が、原点からの直線 とどれくらいずれているかでpTを見積もる • RPC, TGCともに３層で曲率（pT）を見積もる • Level-1では、最大６つのthresholdを設定可能 RPC TGC pivot plane 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 9 Level-1 calorimeter trigger η×φ=0.1×0.1のTrigger towerを 元に計算 EM/TAU clusters ET EM isolation Hadronic isolation Hadronic veto (had core<X) Jet trigger • ET threshold • Window size: η×φ=0.8×0.8 (usually) • |η|<3.2、 3.2<|η|<4.9はforward jet MissingET, TotalET, JetSumET • ET threshold 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 10 EM cluster variables EM E Isol Had ECore Had E Isol 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 11 Level-1 thresholds Threshold type 省略形 設定可能なThreshold数 Multiplicityを表すbit数 Muon MUON 6 3 EM cluster EM 8 3 Hadronic cluster TAU 8 3 Jet JET 8 3 Forward jet FJ 4 2 Missing ET XE 8 1 Sum ET TE 4 1 Jet Sum ET JE 4 1 その他 NIM input 1 • ハードウェアの制限から全体で160 bitを入力として使える • NIMは、MBTS, BPTX, BCM, LUCID,ZCD,TRT,Scintillatorなどに利用 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 12 High Level Trigger (HLT) • HLTは、Level-2とEvent Filter (EF)の総称 • ソフトウェアによるトリガー – 原理的にはオフラインと同じデータを利用可能 – 但し、素早く行うためにLevel-1で特定した領域のデータの みを処理する – 専用のPC farmで実行（Level-2: 1000 CPU, EF: 3000 CPU） • HLTで使用するアルゴリズム – シグナルの再構成の方針はオフラインのものとほぼ同じ – 簡略化されたアルゴリズム • 実行時間に制限がある • トリガーに使うアルゴリズムは長期間に渡って安定したものを使 いたい。オフラインと違ってトリガーはreprocessできない • なるべく単純なcalibration 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 13 HLT slices • • • • • • • • Muon Electron/photon Tau Jet/forward jet Bjet MissingET/SumET B-physics Minbias 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 14 Muon trigger HLT muon trigger • Muon chamber（MS）での飛跡の再構成 • Inner Detector（ID）での飛跡の再構成 • MSとIDのtrackのマッチング（分解能の向上） • （カロリメータを使ってのisolationの要求） • 基本的にはLevel-2もEFも同様だが、EFでは、 より正確なtrack fitを行う • トリガーしたいイベントは、W/Z、 top、SUSYなどからのhigh-pT muon • しかし、実際にトリガーされるイベ ントは大部分が/Kやb/c-quarkから の崩壊ミューオン 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 15 Electron/photon trigger HLT electron trigger • EM clusterを探す • η×φで3×7のclusterを探す • Rcore • Rstrip • ID tracking • ClusterとID trackのマッチング カバーする物理 • W/Z • top (from W/Z) • Higgs (from W/Z) • SUSY • tau enu (10-15 GeV) • exotics (high pt, no isolation) 2015/10/1 Rcore E37 E77 Rstrip E1,strip E2,strip E1,strip E2,strip 実験理論共同研究会 （東京大学） 16 electron trigger variables 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 17 Electron trigger efficiency e5 2015/10/1 e10 実験理論共同研究会 （東京大学） 18 Tau trigger ATLASで、tau triggerといった場合、hadronic decayモードを指すので、selectionの方法は 如何にQCDジェットを落とすか tau1 prong, 3 prongがほとんど 細いジェット、track数が少ない Cluster cuts Calibration L2: sampling-based EF: cell-based Tracking cuts • pT of the leading track > XXX • ΣpTiso/ ΣpTcore • N of slow tracks • Total charge • Total pt in the core 0.3 Core 0.15 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） Isolation ring 19 L2 tau: cluster variables 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 20 L2 tau: tracking variables 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 21 Jet trigger • HLTでは、Coneアルゴリズム • オフラインと違って、どれか一つに決めて走らせなければならない • 最近では、kt, anti-kt, Sisconeなどを導入しようという動きもある。どのjet algorithmを使うかは物理グループが決めるべきである。 • 実行時間、長期的な安定性 Jet triggerの目的 • QCD jet cross section • 最も高いthresholdのみ • Background/performance study用 のサンプル • Uniform spectrum for all ET • Multi-jet • top, SUSY etc. 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 22 B-jet • B-hadronの崩壊から来るtrackが secondary vertexを作ることを利用する • 最も有効な変数は、trackの横方向の impact parameter • L1 jet RoIの周りのη×φ=0.4×0.4の 範囲でtrackを探してimpact parameterを 調べる • track-jetを使ってjet-axisおよびimpact parameterの符号を計算 EF Calibration sample -μ+jet events (b-jet enriched) 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） L2 23 MissingET L2 missingET • L1 missingETの結果をそのまま利用 • Muonが見つかった場合、そのmuonの分 のETを考慮に入れてMissingETを再計算 EF missingET • カロリメータのcellを全て足し合わせて missingETを計算 • Muonが見つかった場合、そのmuonの分 のETを考慮に入れてMissingETを再計算 • Calorimeterのノイズやhot cellの影響に非常に敏感 • Detector studyが重要、カットに使う変数はETのみ • Level-2の性能は、level-1とほぼ同じ • 実行時間の制限のため、全てのcellを読みだすのは不可能 • MissingETは、他のシグナルと組み合わせて使われることが多い（特にtau+met） 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 24 QCDサンプルでの立ち上がり xe30 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 25 Wτνサンプルでの立ち上がり xe30 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 26 • これらのトリガーを組み合わせて、実験全体 で使うトリガーを決める（トリガー・メニュー） • 重要なインプット • 物理に対するトリガー効率 • Signal MCを使って見積もる • データ収集レート • 現在はMinbias MCを用いて見積もる • 物理のためのトリガー以外にも、calibration用 のサンプルを収集したり、測定器やトリガー自 身のコミッショニングのためのデータも必要であ る。低ルミノシティ時には、これらの割合が大き くなる • 現在は、 • データ収集用のオンラインのメニューは、 できるだけシンプルに、 • MC production用のメニューでは、高ルミ ノシティでのトリガーも含める 2015/10/1 Selection tightness Trigger menu 実験理論共同研究会 （東京大学） L=1032 prescaled region L=1031 Threshold (pT) 27 物理用のトリガー • ATLASの基本的な方針は、できるだけinclusiveなトリガー を使う – single electron, single muonといった単純で多くのプロセスをカ バーできるものを用いる – Searchに関しては、何がみつかるか分からないので、特定の終 状態に特化し過ぎるとはずれる可能性がある • ただし、inclusive triggerではレートが落ちないときは、 combined triggerを使用 – tau+missingET（Wtau+nu） – multi-jet など（hadronic top） • Exotic events – Long-lived particleなど、一部シグナルが遅く出るもの（> 25 ns） をとらえるには、さらに特別なトリガーが必要 （後述） 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 28 実験初期のアプローチ • 実験初期のコミッショニング時 – Single beam, L=1029 – 1031 cm-2s-1 – ATLASでの主な研究対象であるプロセスからのレートは非常に低い。 その分detector studyやcommissioning用のデータを多く取る • 安定した衝突時 – L=1031 – 1032 cm-2s-1ではHLTを使わないとレートは落ちない。HLTが正 しく動作していることを素早く検証して改善していく必要がある – ただし、ルミノシティが低いのはバンチ数が少ないからであって、pileupへの備えが必要。 • 現在、考えられているメニュー – – – – Commissioning （Level-1, HLT pass-through）、Cosmic含む （この間をどう埋めるかは現在も議論が進行中） L=1031 L=1032 • Enhanced biased sampleをまとめて収集してレートをチェック – MC production用のメニュー 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 29 L=1031メニューでの代表的なトリガー SM 主なプロセス、 モード W/Z Leptonic QCD jets Hadronic e10_medium ✔ 2e10_loose ✔ mu10_looose ✔ 2mu4 ✔ 2tau16i_loose tau16_loose_xe30 ✔ j350, te360 ✔ asymmetric 3j, 5j Top ✔ Higgs SUSY Exotics B-physics ZZ,WW gg, tautau XE+jets XE+lepton TotalET lepton 2mu4 2e5 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ 3j+xe30 2b23_3L1J23 3b18_4L1J18 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ 他にも多数のトリガーが存在。詳しくはL31TriggerMenu参照 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 30 予想されるレート • Minimum bias のMC simulation sampleにより、現在のメニューでのレートを予想 • 各段階でのレートの制限に収まるように、threshold, prescaleをtune 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 31 トリガー性能の測定 • トリガーの性能の理解 – 安定した物理データの収集に必要不可欠 – シミュレーションと同時に実データでの検証が必要。これ をもとに、さらにシミュレーションを改善 – 解析においてトリガーは最初の事象選別であり、トリガー 効率やオフライン解析との相関を把握する必要がある • Study用にどのようなサンプルが必要か？ – より低いthresholdで収集したサンプル（with prescale）? • Thresholdでの立ち上がりはわかるが、絶対値はわからない – Di-object resonanceを利用（tag-and-probe法） – サンプル数は？どのくらいの精度でトリガー効率を求める 必要があるか？ 2 d ET , dET d dET d 1 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 32 トリガー効率の測定方法 • Tag-and-probe法 – J/Ψll, Zll – electron, muon • 直交したトリガーでバイアス無しのサンプルを使用 – jet triggerの効率を調べるために、muonでトリガーされたものを使用 • より低いthresholdでトリガーされたもの（prescaled） – eff(j23|j10) etc. – thresholdでの立ち上がりは、わかるが絶対値は別の方法で調べる必 要がある • Combined trigger（tau+mET）など – 個々のefficiencyを求めて計算 – 相関がある場合は、簡単ではない 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 1&&2 1 2 1 , 2 1|| 2 1 1 1 1 2 33 Tag-and-probe法 二つのオブジェクトが存在する事象を求めて、効率 を測定 1. オフラインで２つのmuonが再構成された事象 を用いる 2. 一方がトリガーされていることを確認（tag ） 3. もう一方がトリガーされたかを調べる（probe） ２つのミューオンの不変質量がJ/Ψ（Z）の質量に近 いことを利用してpureなmuonサンプルを得るこが できる。 J/Ψμμ 数100k 事象で数%の精度 BARREL ENDCAP Step.1 J/j *2 Triggered muon(MU06) Step.2 Trigger judgment Probe muon Step.3 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 34 Tau trigger efficiency • Zττ(lh) with 100 pb-1 • 統計が少ない 2015/10/1 • Use tau-like QCD jet to measure tau eff. • tau IDの条件をきつくしていくことで、 本来のefficiencyに近づく • 統計的には問題ない • Zττとcross check 実験理論共同研究会 （東京大学） 35 Jet trigger efficiency L1_MU20でトリガーされたサンプルで、 10 pb-1でも十分な統計が得られる L1_EM18でも可能（jetとelectronのオー バーラップを考慮しなければならない） 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 36 実験初期で予想される統計数 • L=1031 cm-2s-1、100 pb-1における数 • Minbias 断面積 （σ～70 mb） – O(100 M) • Dijets with ET>100 GeV （σ～1 μb） – O(100 M) （prescale無し） • J/Ψμ+μ- （pT>6, 4 GeV, |η|<2.4） （σ～10 nb） – O(1 M) • Wlν : ～ 200 k • Zl+l- : ～40 k • tt qqlνbb : ～10 k 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 37 実験開始に向けてやるべきこと • 物理の解析に必要なトリガー – 目的の物理過程用のトリガー – BG、efficiencyやfake rateのstudyに必要なサンプル – ルミノシティが上がった場合どうするか？ • 標準でないシグナルを持つプロセスのトリガー – いろんな標準模型を超えるモデルがある中でトリガーで 逃すことがないか？ – 新しいアルゴリズムの開発が必要な場合も • 実データに基づいた素早いフィードバック – 役に立つデータが取れているかを素早くチェック – Detector /performance/physics group間の連携 • トリガーの設定に問題があるのか、測定器側の問題か？ 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 38 Exotic用トリガー Massive charged particle (非常に遅い粒子) • 安定な重い荷電粒子 • 重いmuonのように見える（β<1） • “stau trigger” p p q ~g ~q ~c0 1 ~ q 長い寿命（測定器内で崩壊）を持った中性粒子 • Hidden Valley Higgs decay • IPから離れたb-jetの崩壊点 • 中性粒子がどこで崩壊するかにより、異なったシグナ ルが観測される 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 39 ATLAS測定器でのシグナル • The signal in ATLAS is a charged particle with low – muonと同じようなシグナル • バックグラウンドはhigh-pt muon 2015/10/1 Entries/bin •Low β particles •Muon spectrometerに到達したときには、 データの読み出しは次のbunch crossingに 移っている • Level-1では問題があるが、次のbunchの データも読みだすことは可能 •0.5<β<0.95 •同じBunch crossing •質量を再構成できる •β~1 • 通常のmuonと同じように見える • トリガーに問題はないが、質量はわからない µ- like 実験理論共同研究会 （東京大学） Same BC Next BC muon slepton 40 質量の再構成 p m • RPC, TGCのタイミン グ情報からβを測定 • Inner detector trackからpを測定 シグナルに対する効率 L2 ID pT L2 MS pT GMSB Long-lived neutral particle • Decays in/near HCAL • Jets with log10(Ehad/Eem) ~1.5 • ~-1 for jets from ID/ECAL • Jets from πv are narrow (ΔR~0.2) • Decays in the ID • Low tracking efficiency • Trackless jets containing muons from b-jets 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） # of L1 RoIs in cone • Decays between HCAL & 1st muon trigger plane • 狭いη/φ領域に3つ以上のmuon RoIが存在 HCAL First RPC πv radial decay distance 42 Long-lived neutral particle (2) • Efficiency 21.1% for h → πv πv → • Efficiency 67.3% for Z’→Qv Qv → πv shower • Negligible changes with pileup • Background ~1.6 Hz @ 1031 • MC stats available not enough • 500K enhanced MINB (L= 10-4 pb-1) • 800K J2 events mh = 140 GeV mass πv = 40 GeV • Study background with collision data c = 1500 mm • Sensitive to detector malfunction = 21 pb 100% BR for h→πvπv 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 43 まとめ • ATLASトリガー – 3段階のトリガー。HLTではRoI内のデータを処理 – 広範な物理をカバーするために、様々なトリガーを用意 • 実験開始に向けての現状 – L=1031, 1032 cm-2s-1用のトリガー・メニューを準備中 – 最近はdetector, performance, physicsグループからのリク エストも増え始めている – 物理だけでなく、calibrationやcommissioningも必要 • ATLASで期待される物理を全てカバーしているか？ – Long-lived particleなど – Forward jet、rapidity gap – 現在開発中 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 44 トリガーの導入にあたって • 導入の目的 – – – – 目的とする物理 Level-1, level-2, EFで用いるトリガーの組み合わせ シグナルに対する効率 どれくらいレートを増やすか。他のトリガーとの重なり • レートが高すぎた場合への対処法 – Thresholdを上げるべきか、prescaleすべきか？ • どのようにそのトリガーの性能を調べるか？ – 他に直交するようなトリガーがあるか？ – よりthresholdの低いprescaled trigger? – そのためにどれくらいサンプルが必要か？ 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 45 Backup 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 46 Streaming EF_mu6 muons EF_mu10 egamma • パスしたデータによって別々のstream （ファイル）にイベントデータを保存 • 後の解析でのアクセスを容易にする ため jetTauEtmiss EF_e20 EF_e20i minbias calibration express EF_j50 2015/10/1 一部のdetectorのデータのみを 高レートで保存 全体の10%を使ってTier0での reconstructionをチェック（calibration etc.） 実験理論共同研究会 （東京大学） 47 BPTX and MBTS BPTX (Beam pickup system) • Installed at 175 m from the IP on both sides • Provides the timing reference of the beam at O(1) ns precision • Signal available to the CTP to form a trigger logic MBTS (Minimum Bias Trigger Scintillator) • Located on LAr cryostat (|Z|=3.5 m, R=0.15 – 1.2 m) • 16 scintillators on each side (32 bits to the CTP) • Especially important at early running 7-11 July, 2008 ATLAS overview week (Bern) 48 HLT/DAQ architecture LVL1から ROIB RoI RoIB: RoIBuilder L2SV: L2 SuperVisor L2PU: L2 Processing Unit ROS: ReadOut System ROB: ReadOut Buffer DFM: Data Flow Manager EFD: EventFilter Dataflow manager PT: Processing task SFI (SFO): SubFarm Input (Output) L2SV ~75 kHz L2PU L2PU L2PU DFM (×500) SFO 測定器 ~75 kHz Pixel, SCT, RODROB ... 2015/10/1 SFI (×100) ROS (×160) 完全な事象 データ L1レートでデータを読み 出してバッファしておく。 最長、Event buildingが終 わるまでデータを保持 L1IDでイベントを同定 実験理論共同研究会 （東京大学） Tier0へ 一旦ローカルな ディスク（24 TB）に データを書いてか らテープへコピー EFD PT PT PT EFノード (×1500) 49 LHCの運転スケジュール • LHC commissioning – Single beam with a few bunches – Both beams with a few bunches • Collision at 5 TeV – Peak luminosity 5・1031 – Peak luminosity 2・1032 – Provides integrated luminosity of 200 pb-1 • 物理データ取得のためのトリガーとしては、L=1031～ 1032を前提にメニューを組んでいる – 解析に必要なトリガー – Calibration sampleの収集 – 測定器やトリガーのコミッショニングのためのサンプル 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 50 Calibration trigger • 主にdetectorのcalibration用に特定のdetectorの データの一部のみを集めたもの – trk*_id • isolated track（）、ID alignment用 – lar*_calib: • LAr のシグナルに対する応答のcalibration用 • Muon calibration stream – Level-2で見つかったmuonのデータをthreshold以下のも のまで含めて収集。MDTのt0, r-t関係の較正 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 51 Slow-moving charged particle • Different Event structure and β spectra– model independence GMSB • Slepton NLSP may be long-lived p p • The decay chains are long ~ ~0 – busy events – tends to high values q ~g q c 1 ~ q • We used a point w M(stau) = 102.5, M(eR) = 100.3, = 21 pb Split SUSY • Gluino NLSP hadronize to long lived R-Hadrons • 2 gluinos produced directly – lower – Not much else in the event • R-Hadron may flip charge from inner detector to muon spectrometer • Interactions with matter model dependent 2015/10/1 実験理論共同研究会 （東京大学） 52
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