LHC Days in Split10 Oct. 2002

Claudia-Elisabeth WulzInstitute for High Energy Physics, Vienna

The CMS Trigger

Cross Sections and Rates

Cross sections for different processes vary by many orders of magnitude

• inelastic: 109 Hz• W l: 100 Hz• tt: 10 Hz• Higgs (100 GeV): 0,1 Hz• Higgs (600 GeV): 0,01 Hz

Required selectivity 1 : 10 10 - 11

TriggerTrigger

-

Event typeProperties of the measured trigger objects

Event accepted?T( ) YES

NO

Depends on

Trigger objectsTrigger objects (candidates): e/, , hadronic jets,-Jets, missing energy, total energy

Trigger conditions:Trigger conditions: according to physics and technical priorities

Successive steps

Principle of Triggering

CMS Detector (Compact Muon Solenoid)

Triggerstufen in CMS

Level-1 TriggerMakrogranulare Information aus Kalorimetern und Müonsystem (e, , Jets, ET

missing)Schwellwert- und Topologiebedingungen möglichEntscheidungszeit: 3,2 sEingangsrate: 40 MHz Ausgangsrate: bis zu 100 kHzSpeziell entwickelte Elektronik

High Level Trigger (mehrere Stufen)Genauere Informationen aus Kalorimetern, Müonsystem und TrackerSchwellwert-, Topologie-, Massenbedingungen u.a. sowie Vergleiche mit anderen Detektoren möglichEntscheidungszeit: zwischen 10 ms und 1 sEingangsrate: bis zu 100 kHzAusgangsrate (Datenakquisition): ca. 100 HzIndustrielle Prozessoren und Switching-Netzwerk

Conventional Concept with 3 Steps

Investment inspecialized processors,control

CMS Concept with 2 Steps

Investment inband width andcommercial components

Advantages:Fewer components, scalable

Evolution of Trigger Requirements

ATLAS/CMS:ATLAS/CMS: Rather high rates and large event sizes

Interaction rates:Interaction rates: ~ Factor 1000 larger than at LEP,~ Factor 10 larger than at Tevatron

Level-1 TriggerLevel-1 Trigger

Only calorimeters and muon system involvedOnly calorimeters and muon system involvedReason: no complex pattern recognition as in tracker required (appr. 1000 tracks at 1034 cm-2s-1 luminosity), lower data volumeTrigger is based on:Trigger is based on:Cluster search in the calorimetersTrack search in muon system

Architecture of the Level-1 Trigger

GLOBALER TRIGGER

LokalerKalorimetertrigger

LokalerDT-Trigger

LokalerCSC-Trigger

Regionaler CSC-Trigger

RPCTrigger

CSCHits

RPCHits

DTHits

Kalorimeter-Energie

Globaler Kalorimetertrigger Globaler Müontrigger

Regionaler DT-Trigger

Regionaler Kalorimetertrigger

Strategy of the Level-1 TriggerLocalLocal

• Energy measurement in single calorimeter cells or groups of cells (towers) • Determination of hits or track segments in muon detectors

RegionalRegional• Identification of particle signature• Measurement of pT/ET (e/, , hadron jets, -jets)• Determination of location coordinates (,) and quality

GlobalGlobal• Sorting of candidates by pT/ET, quality and retaining of the best 4 of each type together with location and quality information• Determination of ET, HT, ET

missing, Njets for different thresholds and 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

Level-1 Calorimeter Trigger

GoalsGoalsIdentify electron / photon candidatesIdentify electron / photon candidatesIdentify jet / Identify jet / -jet candidates-jet candidatesMeasure transverse energies Measure transverse energies

(objects, sums, missing E(objects, sums, missing ETT))

Measure locationMeasure locationProvide MIP/isolation information to Provide MIP/isolation information to

muon triggermuon trigger

JetJet

e/e/

Local / Regional Electron/Photon Trigger

Trigger primitive generator (local) Trigger primitive generator (local) Flag max of 4 combinations Flag max of 4 combinations

(“Fine Grain Bit”)(“Fine Grain Bit”)

Hit +max of > EHit +max of > ETT threshold threshold

Regional calorimeter trigger Regional calorimeter trigger

EETT cut cut

Longitundinal cut hadr./electromagn. ELongitundinal cut hadr./electromagn. ET T // < 0.05 < 0.05

Hadronic and electromagnetic isolation < 2 GeV Hadronic and electromagnetic isolation < 2 GeV

One of < 1 GeVOne of < 1 GeV

Electron / photonElectron / photon

Local / Regional Electron/Photon Trigger

Trigger primitive generator (local) Trigger primitive generator (local) Flag max of 4 combinations Flag max of 4 combinations (“Fine Grain Bit”)(“Fine Grain Bit”)

Hit +max of > EHit +max of > ETT threshold threshold

Jet / Trigger

{

Jet EJet ETT is obtained from energy sum of 3 x 3 regions - is obtained from energy sum of 3 x 3 regions -

sliding window technique, seamless coverage up to |sliding window technique, seamless coverage up to || < 5| < 5 Up to |Up to || < 3 (HCAL barrel and endcap) the regions are 4 x 4 trigger towers| < 3 (HCAL barrel and endcap) the regions are 4 x 4 trigger towers

Narrow jets are tagged as -jets in tracker acceptance (|| < 2.5) if ET deposit matches any of these patterns

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.

Cathode StripChambers

Drift TubeChambers

Local Muon Trigger

6 hit stripsForm track segment

Vector of 4 hit cells

Correlator combines vectors to track segment

Comparators allow resolution of 1/2 strip width

Superlayer

Station

Regional DT/CSC Muon Trigger (Track Finder)

Trigger relies on track segments Trigger relies on track segments pointing to the vertex and pointing to the vertex and correlation of several detector correlation of several detector planesplanes• Spuren mit kleinem pSpuren mit kleinem pTT zeigen nicht zeigen nicht zum Vertex (Vielfachstreuung,zum Vertex (Vielfachstreuung, Ablenkung im Magnetfeld)Ablenkung im Magnetfeld)• Spuren aus Zerfällen undSpuren aus Zerfällen und Punchthrough zeigen meist Punchthrough zeigen meist auch nicht zum Vertexauch nicht zum Vertex• Punchthrough / Sailthrough-TeilchenPunchthrough / Sailthrough-Teilchen durchqueren selten mehreredurchqueren selten mehrere Detektorebenen Detektorebenen

Drift Tube Trigger(CSC Trigger similar)

ETA track Finder!!

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.

4/4

3/4High

pT

LowpT

3/4

4/4

Global Muon TriggerDR/CSC/RPC: combined in Global Muon TriggerDR/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

L1 single & di-muon trigger rates

20, 6;6W =82.3 %Z =99.6 %Bs= 9.9 %

25, 5;5W =74.1 %Z =99.5 %Bs=14.3 %

12, 8;8W =91.4 %Z =99.7 %Bs=14.5 %

14, -;-W =89.6 %Z =99.8 %Bs=27.1 %

L = 1034cm-2s-1L = 2x1033cm-2s-1

working points compatible with current L1 pT binning

|| < 2.1Trigger rates in kHz 100 kHz DAQ 8 kHz for

50 kHz DAQ4 kHz for

Global Trigger

Physics requirementsPhysics requirements

The trigger decisiontrigger 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, , Best 4 non-isolated electrons/photons ET, , Best 4 jets in forward regions ET, , Best 4 jets in central region ET, , Best 4 -Jets ET, , Total ET ET

Total ET of all good jets HT

Missing ET ETmissing, (ET

missing) 12 jet multiplicities Njets (different ET thresholds and -regions) Best 4 muons pT, charge, , , quality, MIP, isolation

• Thresholds (pT, ET, NJets)• Optional topological and other conditions (geometry, isolation, charge, quality)

Algorithm Logic in Global Trigger

Logical CombinationsObject Conditions

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.

eis.(1)

eis.(2)

ET(1) > ET(1)threshold

ET(2) > ET(2)threshold

0o ≤ φ(1)<360o

0o≤φ(2)<360o

170o≤|φ(1)-φ(2)|<190o

+(1)

μ-(2)

pT(1) > pT(1)threshold

pT(2) > pT(2)threshold

0o ≤ φ(1) < 360o

0o ≤ φ(2) < 360o

170o ≤ |φ(1) - φ(2)| < 190o

ISO(1) = 1, ISO(2) = 1MIP(1) = 1, MIP(2) = 1SGN (1) = 1, SGN(2) = -1

ETmissing

OR

Particle Condition formissing ET

Particle Conditions for muons

Particle Conditions for isolated electrons

ET(eis.) > ET(eis.)threshold pT(μ) > pT(μ)thresholdET

missing > ETthreshold

OR

ALGORITHM AND-OR

ANDAND

eis .

ETmiss ing

eis . μ

Global/Central Trigger within ATLAS and CMS

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.

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.

Algorithm-bits

Algorithmand

input bits

Standardmodell-HiggsDas Standardmodell beschreibt bis jetzt die Natur sehr gut, es hat aber einige theoretische Unzulänglichkeiten, darunter:• keine echte Vereinigung aller Kräfte (W 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 -> , H -> bb130 GeV < mH < 700 GeV H -> ZZ(*) -> 4 l (l = e,)500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 l + 2 Jets500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 l + 2 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> WW-> l + + Jets800 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ-> 2 l + 2 Jets

-

H -

mmHH = 130 GeV = 130 GeV

HiggssignalHiggssignal

Ere

ign

isse

/ 5

00

MeV

fü

r 10

0 fb

Ere

ign

isse

/ 5

00

MeV

fü

r 10

0 fb

-1-1

mm

Analyse-Ereignisselektion:2 isolierte elektromagnetische Cluster, keine passenden Spuren im Tracker

Mögliche L1-Triggerselektion:2 isolierte “e/”

H -> ZZ(*) - 4 Leptonen

Ere

ign

isse

/ 2

Ge

VE

reig

nis

se /

2 G

eV

m(4m(4ll) / GeV) / GeV

Mögliche L1-Triggerselektion:2 oder mehr isolierte “e/” oder

mmHH = 150 GeV = 150 GeV

H - Leptonen, Neutrinos, Jets

mmHH = 800 GeV = 800 GeV m(2m(2ll, 2 Jets) / GeV, 2 Jets) / GeV

Ere

ign

isse

/ 2

00

GeV

Ere

ign

isse

/ 2

00

GeV

SignalSignalUntergrundUntergrund

Mögliche L1-Triggerselektion:2 “e/” oder 2 1 oder 2 Jets

Andere Kanäle: 1 oder mehr Leptonen, fehlende Energie, Jets

H -> WW -> l + lfür 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/” oder 2 Option: || < 450

Supersymmetrische Higgs-Teilchen

Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) gibt es 5 Higgs-Bosonen: h0, H0, A0 and H±. Man braucht 2 Parameter zur Bestimmung der Eigenschaften: mA, tan. 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 tanerhöht. A koppelt nicht an WW, ZZ. Kopplungen von H an WW und ZZ für große mA und tansind unterdrückt. Die folgenden Zerfallskanäle sind wie für das SM-Higgs zu behandeln:h, A -> (für mA < 2 mt wegen des Verzweigungsverhältnisses), h -> bbh, H -> ZZ* (kein H -> ZZ bei großer Masse, da Verzw.verh. zu klein)Die folgenden Zerfallskanäle öffnen sich:H, A -> (-Kanäle im Vergleich zum SM wichtig für große tan)A -> tt; (H, A -> hh; A -> Zh) A, H -> supersymmetrische TeilchenH± -> , tbVektorbosonfusionskanäle qq -> qqHiggs ebenfalls möglich: mit h, H -> ; H -> ; h, H -> WW -> ll; h -> 00

-

-

~ ~

h0, HSM -> bb-

mmHH = 115 GeV = 115 GeV

Ere

ign

isse

/ 1

0 G

eVE

reig

nis

se /

10

GeV

mminvinv (Jet, Jet) /GeV (Jet, Jet) /GeV

Nur assoziierte Produktionaufgrund von Problemen mit Trigger und Untergrund!

Analyse-Ereignisselektion:1 isoliertes e or 1 isoliertes e or , 6 Jets von , 6 Jets von denen mindestens 4 ein b-tag denen mindestens 4 ein b-tag haben müssen. Rekonstruktion haben müssen. Rekonstruktion beider t’s durch kinematischen beider t’s durch kinematischen Fit nötig um kombinatorischen Fit nötig um kombinatorischen Untergrund zu unterdrücken.Untergrund zu unterdrücken. Resultat für mH = 115 GeV:S/√B = 5.3, m/mH = 3.8%

Mögliche L1-Triggerselektion:1 isoliertes Lepton und mehrere Jets

tth(H) -> l±qqbbbb-- --

H, A - Aufgrund der hohen Rate überspannt dieser Kanal einen weiten Parameterbereich.

Zugängliche Endzustände: (-> ee) (-> ) (-> h± 0’s ) (-> ll) (-> h± 0’s ) (-> hm 0’s )

Mögliche L1-Triggerselektion:1 e/ oder 1 -JetFehlende Energie

Ere

ign

isse

/ 5

Ge

VE

reig

nis

se /

5 G

eV

10 fb-1 bei 1033cm-2s-1

Squarks, Gluinos

Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.

Mögliche L1-Triggerselektion:Mehrere Leptonen: “e/” oder (beliebige Kombinationen)Mehrere JetsFehlende Energie je nach Zerfallskanal

pp -> qq~~

Charginos, Neutralinos, Sleptonen

Mögliche L1-Triggerselektion:Mehrere Leptonen: “e/” oder (2 oder 3, beliebige Kombination)Fehlende Energie Jetveto

Ere

ign

isse

/ 5

Ge

VE

reig

nis

se /

5 G

eV

SM-SM-UntergrundUntergrund

Endzustand mit 3l + fehlender Energie, keine Jets

~ ~Beispiel für Drell-Yan-Produktion von 1± 2

0:qq -> W* -> 1

± 20 -> 1

0 l± + 10 l+l-

20 -> l±lm -> 1

0 l+l-

oder

20 -> 1

0 l+l-

~~ ~

~ ~

~ ~ ~ ~

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

Algorithmus e ee j jj jj jjjj .Niedrige Lum 24 18 95 75 150 115 95 75

.Hohe Lum 35 20 180 110 285 225 125 105Algorithmus +e +j e ET

miss +e ETmiss +j ETmiss ( . .)e n isol ( . .)ee n isol ET

.Niedrige Lum 80,14 125,14 275 12,175 65,175 24 18 1000 .Hohe Lum 125,20 165,20 350 18,250 95,250 58 28 1500

Algorithmus e +j +ET +ETmiss Gesamtrate

.Niedrige Lum 10 3 4,12 4,80 4,80 4,600 4,140 25kHz .Hohe Lum 25 8,5 5,32 5,140 5,155 5,800 5,200 25kHz

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 (3,2s) - 200 ns (8 Strahlkreuzungsintervalle)

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)

(i+1)-te Kreuzung n n-1 n-2 … n-126 n-127(i+2)-te Kreuzung n+1 n n-1 … n-125 n-126… … … … … … …(i+127)-te Kreuzung n+126 n+125 n+124 … n n-1 (Triggerentscheidung)(i+128)-te Kreuzung n+127 n+126 n+125 … n+1 n

Effizienzen fuer mu kein Problem, jedoch evtl. fuer Jets aus mSUGRA fuer hohe Lumi

Effizienzen fuer mu kein Problem, jedoch evtl. fuer Jets aus mSUGRA fuer hohe Lumi

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.

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 The concept of the L1 trigger built around the topological association of predefined elements associated with leptons, photons, jets and missing predefined elements associated with leptons, photons, jets and missing energy is well suited to the challenge of triggering in a flexible and energy is well suited to the challenge of triggering in a flexible and responsive manner.”responsive manner.”

High Level Trigger Goals

Validate Level-1 decisionValidate Level-1 decision

Refine thresholdsRefine thresholds

Refine measurement of position and other parametersRefine measurement of position and other parameters

Reject backgroundsReject backgrounds

Perform physics selectionPerform physics selection

High Level Trigger Challenges

Rate reductionRate reductionDesign input rate: 100 kHz (50 kHz at startup with luminosity 2x1033 cm-2s-1), i.e. 1 event every 10 s. Safety factor of 3: 33 kHz (16.5 kHz).Output rate to tape: order of 100 Hz Reduction factor: 1:1000Allocation 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)- -jets (8 or 4 kHz)- jets + combined channels (8 or 4 kHz)

AlgorithmsAlgorithmsThe 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.

High Level Trigger and DAQ ChallengesProcessing timeProcessing timeEstimated processing time: up to 1 s for certain events, average 50 msAbout 1000 processors needed.

Interconnection of processors and frontendInterconnection of processors and frontendFrontend has O(1000) modules -> necessity for large switching network.

BandwidthBandwidth Average event size 1 MB -> For maximum L1 rate need 100 GByte/s capacity.

Electron/Photon HLT Algorithms““Level-2.0”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”Level-2.5”Matching with pixel detector hits. Separate streams for electrons and photons.Lower ET thresholds for electrons than photons.

Electron/Photon HLT Algorithms““Level-3”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 -> ggTOBEDONE

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

HLT Algorithms for ’s““Level-2”Level-2”xxx

HLT Algorithms for ’s““Level-2”Level-2”xxx

Conclusions““Level-2”Level-2”xxx

AcknowledgmentsAcknowledgments - my colleagues in CMS and at HEPHY Vienna, especially D. Acosta, J. Erö,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.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 to the Organizing Committee of LHC Days in Split for the invitation and the enjoyable workshop.the enjoyable workshop.