ATLAS実験における Fast TracKer (FTK) の開発研究～ A Hardware Tracking Trigger at LVL1.5 ～寄田浩平 For ATLAS-FTK Group 早稲田大学理工学術院 (ATLAS-Institute: U of Chicago) JPS＠立教大学 On March 29th, 2009 FTKの概要＞ ATLAS Upgrade Project (Not strictly linked to phase X upgrade) - LHCのHigh Luminosity Runに向けて（Target Year: ～2012） - 2008年3月にR&Dは正式承認されている。（開発期間１年延長）。 - 現在、研究開発を進めると共にTDRを執筆中、1年以内に提出予定。＞参加研究機関 - U of Chicago, Harvard Univ、Illinois Univ.（米国） - INFN Pisa、Rome, Frascati （イタリア） - [早稲田大学（日本）] から実働は10人以下、、。＞ FTK: Hardware Tracking Trigger System @ “LVL1.5” - Pixel/SCTからのヒット情報から飛跡を再構成。(Standalone) On LVL1 Accept, 質の良いTrackをLVL2にできるだけ早く(＜１ｍｓ)供給 CDFのSilicon Vertex Trigger（SVT）の発展版極めて困難なことは承知 → 新しい領域への一つの挑戦！ p2/12 LVL1.5とは？【模式図】 Calo Muon Pixel/SCT No Tracking info. for LVL1 decision! LVL1 Trigger L2の初段階、1ms以内で ROD ROD 質の良いトラックを供給 2nd output * L2 DeadTime は、 ROB 1st ROB output L1Rate x T(L2-Decision)で成長！ RoI Very Low Impact on current DAQ ROD Full Pixel/SCT Hits received @ 50KHz~100KHz FTK ROB LVL2 CPU Farm Basically, no change needed in LVL2 High quality track (PT > ~2 GeV) Not only RoI p3/12 構築、挿入、運転の予定 FTK挿入目標 Phase I Upgrade Phase II SLHC FTKの利点： → >1034でも５年以上安定したデータ供給と変化しうる物理課題への柔軟な対応 → Phase IIのDelayへの保障 (ほとんどのHW Upgrade ProjectはPhaseIIを意識) → sLHCへの貢献、繋がり → FTKをUpgradableに作るのも重要な研究課題の一つ（未着手）。 Collimator ←1x1034 2024 2023 2022 2021 2020 2019 2018 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 p4/12 Pixel/SCT FTKの内部構成（概念図） RODs  LVL1 Rate : 50-100KHz # of readout lines/DF S-link # of region (sector,crate) # of hits/event  # of DFs DF DF DF  # of cluster/event LVDS-link ←VME完成イメージ *これはCDF のSVTです。  Size of SuperStrip & Required coverage * それぞれのステージで DO DO AM DO  Size of Pattern Bank I/Oの数やボードの数、 and # of AM boards そのスペックを様々な角度 Roads から決定する必要性。 Road+Hits # of TF, performance of RW-HW. → 現在はシステム全体の Fitting time per/track. 最適化の段階であり、ボード、 RW-HW 1) # of tracks/event チップの開発と共に、FTKSim TF 2) # of roads/track (Athenaで走らせることも可能) 3) # of combination/road と呼ばれるSimulation Toolで Track data  Total # of fit/event = 1) x 2) x 3) 開発がされている段階。 ROBIN Rate for fit (LVL1 x N of fit/event) p5/12 FTKで重要な事、難しい事１．Signal Efficiency ２．Fake Rate ３．Resolution ４．Physics Impact → 決めるべき要素： - Region: 検出器の区切り方（Crateの数） Sector: 第１パターン認識 (Moduleの組合せ) SS Size: パターン認識→Pattern Bankのサイズ Constant Quality: Track Fittingの質最も重要な要素はプロセス時間（Timing）！ Pixel/SCT Hit design/spec.,clock,,, Given a certain design/spec.,clock, T Process hits =F(Nhits , Bottleneck部分の洗い出しルミノシティー依存性を検証現行HLTとの比較 clusters, Nclusters , fits, … Nfits , …)) Event毎のTiming 最適化するための反復システムデザインに反映（変更） * しかし、現状はシステムデザインも未だ議論中かつ“実データ”もない！ → ハードウェアシミュレーションもできない → 信頼性と現実味に欠ける。 → 第一段階: CDFのSVTを用い、方法論の検証と実行性を確認。 Silicon Vertex Trigger (SVT) @ CDF 30 ° Z SVT Timing Calculation x 12 phi sectors Hit Finders raw data from SVX front end COT tracks fromXTRP Merger 2 AM++ AMSRW road’s hits roads Final merger hits TF++ 12 fibers tracks hits Ghost buster L2 SVT RX hits HB++ tracks Xs Xs L1A SVX hit Xs HF hit Xs Xs AMSRW Hits EE AMSRW Roads EE Xs Xs TF in TF out Time GB EE p8/12 SVT Timing の簡単なモデル wedge wedge T= a*Max(Nhit)+b*Max(Nfit)+c Measured (data) > /Hit loading time: 30-45ns Predicted ←BAD! ←GOOD！ > /Fit execution time: 25-300ns などなど、、、（詳細省）単純なモデルでも、重要なパラメータをおさえれば、ヒット数、フィット数などの関数で実データを再現可能なことがわかった。特にTiming分布の平均、幅、Tailの特性とそのルミノシティー依存性を深く理解する必要がある。 SVT Mean = 20～25μs * FTKの目標は数百μs (<1ms) 今後はより詳細化して、いくつかのアルゴリズを検証する予定。 → FTKに応用する。 p9/12 現状のパフォーマンス、問題点など Impact Parameter Resolution Single μ Sample No Pileup but RH ー FTK ー IPAT Impact Parameter WH Sample @10^34 FTK: σ＝～90μm IPAT: σ＝～70μm ←20μm Caveat ! Very Preliminary - Studies still underway ! 問題点： SCTモジュールにGeometrical なオーバーラップがあるため、同じ層内でも二つのモジュールにヒットがある。 → パターンのサイズが増える。 → 一つの飛跡に対して、ふたつ以上のパターン認識がされる。＊これらを抑えるアルゴリズムが必要。 p10/12 物理へのインパクトの例を一つだけ＞信号： bbH/Aの場合 4jet Triggerの閾値(e.g. 50,70,100GeV) が高いため、低い（< ~ 200GeV）質量の Higgsのピークが消される！ → 終状態は４つのb quark jetを含むため、FTKが供給するトラックの情報から早い段階(LVL2の頭)で同定が可能となる。 → Et閾値を下げて（55→30GeV@LVL1）、b jet tagの要請付加で回復！そのほかにも、Electron/gamma/muonなどに適用したときの改良度合いをみたいが、ただ単に手が回っていない状況。 p11/12 纏めと今後の課題 > FTKは質の高いトラックをLVL2のはじめ1ms以内で供給 - LVL1閾値を下げることが可能。 - LVL2のPC farmはもっと洗練されたアルゴリズムを使える！ - RoI以外のオブジェクトの利用の可能性。 > 新現象の性質解明は様々なチャンネルで見ないと× → bjetやτのようなあまり綺麗でない事象もとても大事になる。 > b jet/τのみならず、FTKの情報はe/γ/μにも利用可能 → 単純に、トリガーロジックにFTKの情報を入れ込んで、DAQの質が悪くなるわけない！今後の予定 > FTK Timing study用のソフトウェア開発 → デザインの最適化を行う。 > TDRを仕上げる（なるべく早く。一年以内）。 → 現行のHLTのトラッキングと比較し、FTKによる恩恵を定量化、説得。 → If Approved → そこから3年後(2012年内)のコミッショニングを目指す。 → その後はFTKの力をフルに利用した物理解析が可能！ 2018年頃のsLHCへ向けた増強計画に対して、Intermediate Upgrade Project として開発構築し、第一段階のHigh Luminosity（~1034）に備えることが重要。 p12/12