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Triggering Challenge
名古屋大学 堀井泰之
日本物理学会 2014年秋季大会 !
素粒子実験領域,素粒子論領域合同シンポジウム HL-LHC:ハドロンコライダーの将来と技術革新
!2014年9月20日
/25
はじめに
2
/25ATLAS実験におけるトリガーの役割
3
興味のある反応の断面積と全断面積の間に、大きな開きがある。 !1秒あたりに保存するデータ量は、
~300 MBに抑える必要がある。
1事象のデータ量:~1.3 MB。
陽子・陽子衝突の頻度:40 MHz。
!データを保存する事象を選別する。この役割を担うのが、「トリガー」。
James Stirling, Imperial College London, http://www.hep.ph.ic.ac.uk/~wstirlin/plots/plots.html
0.1 1 1010
-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
10-7
10-6
10-5
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10-2
10-1
100
101
102
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105
106
107
108
109
σσσσZZ
σσσσWW
σσσσWH
σσσσVBF
MH=125 GeV
WJS2012
σσσσjet
(ET
jet > 100 GeV)
σσσσjet
(ET
jet > √√√√s/20)
σσσσggH
LHCTevatron
eve
nts
/ s
ec f
or L
= 1
03
3 c
m-2s
-1
σσσσb
σσσσtot
proton - (anti)proton cross sections
σσσσW
σσσσZ
σσσσt
σ
σ
σ
σ
(( ((nb
)) ))
√√√√s (TeV)
{
14 TeV
2008 JINST 3 S08003
/25ATLAS実験におけるトリガーの判定基準
興味のない事象の多くは、低い横運動量を持つ粒子から成る。
トリガーの基本的な判定基準:高い横運動量を持つ粒子の検出。
検出粒子に応じた名称が存在:
光子トリガー, 電子トリガー, ミューオントリガー, ジェットトリガー, …
4
H→γγ候補
光子トリガー
H→ZZ→eeμμ候補
電子トリガー
ミューオン トリガー
/25ATLAS実験におけるトリガーの概要
5
陽子陽子交差頻度:40 MHz
レベル1トリガー: カロリメータとミューオン測定器を 用いたハードウェアでの高速判定。
レベル2トリガー: 興味のある領域を、計算機で解析。
イベントフィルター: 全領域を、計算機でより詳細に解析。
75-100 kHz (2.5 μsec)
~ 3.5 kHz (~40 msec)
~ 200 Hz (~ sec)
2008 JINST 3 S08003; ATLAS TDR Level-1 Trigger
/25
HL-LHCにおけるトリガーの課題
6
/25High-Luminosity LHC (“HL-LHC”)
7
重心系エネルギー:14 TeV
ピークルミノシティ:5 x 1034 cm-2s-1
想定される開始時期:2025年頃
2035年頃までに、積分ルミノシティ
3000 fb-1のデータを蓄積したい。
ルミノシティを増強し、ヒッグス結合定数の精密測定や より感度の高い新物理探索を行う。
LHCに対する想定
HL-LHCを導入する 場合の想定
2015 2025 2035西暦
積分ルミノシティ
[fb-1
]
1000
2000
3000
/25
gKK, Z’探索
トップFCNC探索
…
HL-LHCにおける物理とトリガー8
ヒッグス精密測定 新物理探索
ジェットトリガー
質量欠損トリガー
SUSY探索
[GeV]H
M
80 100 120 140 160 180 200
Hig
gs B
R +
To
tal U
nce
rt
-410
-310
-210
-110
1
LH
C H
IGG
S X
S W
G 2
013
bb
oo
++
cc
gg
aa aZ
WW
ZZ
MH ~ 125 GeV
多彩な生成・崩壊プロセスに対する精密測定や探索を行いたい。
各種トリガーが、重要な役割を担う。
電子トリガー
ミューオントリガー
電子トリガーミューオントリガータウトリガー光子トリガー
/25改良なしの場合のレベル1トリガー発行頻度
9
現行のレベル1データ輸送幅の上限(75-100 kHz)を、 大幅に上回ってしまう。トリガー改良が必須。
右の表は、トリガー改良なしのとき
HL-LHCで想定されるATLAS実験のレベル1トリガー発行頻度を示す。 !ルミノシティ7 x 1034 cm-2s-1を仮定。
!ジェット・質量欠損の発行頻度は、 他との比が現行と同程度になる として計算。
“Letter of Intent for the Phase-II Upgrade of the ATLAS Experiment”, CERN-2012-022, LHCC-1-023
/25
HL-LHCに向けたトリガー改良ー概要ー
10
/25トリガー改良を考える上での前提
11
横運動量pT:運動量ベクトルのビーム軸に垂直な成分の大きさ。 !アクセプタンス:生成された粒子のうち、ある要求を満たす粒子の率。
ミューオンのpTに対する
要求の下限値 [GeV]アクセプタンス
興味のある物理過程を落とさないために、低いpT閾値を保ちたい。
右のミューオンの例の場合、
トリガー発行頻度を下げるために
仮にpT閾値20 GeVを30 GeVに上げると、
アクセプタンスが20-50%程減ってしまう。
/25HL-LHCに向けたトリガー改良の方向性
12
レベル1トリガーのアルゴリズムを改良し、"低いpT閾値を維持しつつトリガー発行頻度を削減。
バッファを大きくし、"レベル1トリガーに"かける時間を増やす。
データ輸送幅を強化し、"より多くの事象を後段の"ソフトウェアトリガーに。
ミューオン カロリメータ トラッカー
レベル1 トリガー
3 μs → 20-30 μs
75-100 kHz → 200-400 kHz
ミューオントリガー改良,"
カロリメータトリガー改良,"
トラックトリガー導入, …
/25HL-LHCにおけるATLAS実験のトリガーのブロック図
13
MDT Trigger may be!included in Level-0.
LHCにおける判定をレベル0として行う。 より厳しい要求をレベル1で課す。6 μsec 500-1000 kHz
20-30 μsec 200-400 kHz
レベル0で要求を 満たす事象・領域に 対して、レベル1の 判定を行う。
/25HL-LHCにおけるATLAS実験のトリガーのブロック図
14
MDT Trigger may be!included in Level-0.
LHCにおける判定をレベル0として行う。 より厳しい要求をレベル1で課す。6 μsec 500-1000 kHz
20-30 μsec 200-400 kHz
ミューオントリガー改良
トラッカートリガー導入
カロリメータトリガー改良
レベル0で要求を 満たす事象・領域に 対して、レベル1の 判定を行う。
/25
HL-LHCに向けたトリガー改良ー各パートの紹介ー
15
ATLAS日本グループの貢献を中心に紹介。 これまで貢献してきたミューオンを軸として。 新たにカロリメータ・トラッカーにも貢献。
/25ミューオントリガー改良 概要
トリガー用測定器(位置分解能 ~ cm)を用い、これまでと同等の選別を行う。
精密位置測定器(位置分解能 < mm)を、新たにレベル1トリガーに導入。運動量を低く見積もることで発行される「偽のトリガー」を除外する。
16
2カ所で飛跡を検出。磁場中での曲がり具合を利用。
pT閾値20 GeVのミューオントリガーの発行頻度を半減。
精密位置測定器
精密位置測定器トリガー測定器
トリガー測定器
µ
磁場
ミューオンの横運動量pT [GeV]トリガーを通る候補数
改良前 改良後
/25ミューオントリガー改良 回路開発
17
ATLAS日本グループが、
汎用ボードを用いた試験を進行中。
早い飛跡構成の
シミュレーションも進行中。
ドリフト時間測定の データを回路室へ。
興味のある領域。 ドリフト時間測定 のための時間原点。
早い飛跡構成。 トリガー判定。
レベル1の発行時間内(20-30 μsec)に、早い飛跡構成を行う。
精密位置 測定機 ドリフト チューブ
トリガー 測定器
/25カロリメータトリガー改良 概要
18
検出器は変えずに、電子回路の入れ替えを行うことで、
トリガーにおけるエネルギー測定の領域分けを詳細にする。位置分解能向上。電子とジェットの識別効率向上。
現行のレベル1
(ET = 70 GeVの電子検出の例)
0.1 x 0.1, 0.025 x 0.1で4層。
ηの幅0.1
φの幅0.1
0.1 x 0.1 (η x φ) 内のエネルギー和を用いる。
2018年以降のレベル1
(HL-LHCでのレベル0) 和をとらずに、フルに分割された領域を利用。
HL-LHCでのレベル1
η: 擬ラピディティ, φ: 方位角
ηの幅0.1
φの幅0.1η: 擬ラピ
ηの幅0.1
φの幅0.1
/25カロリメータトリガー改良 回路開発
19
2018年に
導入する部分。
HL-LHCでも利用する予定。
ATLAS日本グループが開発に貢献。
波形解析、エネルギー算出を行う。
陽子・陽子交差あたりの相互作用数が増えることによる影響を加味。
本学会 20aSG参照
/25トラッカートリガー導入 概要
シリコン検出器の情報を使い、ハードウェアでトラック検出を行う。
電子・タウなど多くの対象に対し、トリガー発行頻度を大きく削減。
20
ヒット情報を、事前に 用意したパターンと比べ、 トラック探索。
FPGAで、フィットを 行って、トラック構成。
トリガー発行頻度
[/秒
]
横エネルギーET [GeV]
トラック情報なしトラックあり
電子トリガーの発行頻度削減。
2016年から稼働予定。~100 μsecで全領域のトラックを構成し、後段トリガーへ。
HL-LHCでは、レベル1トリガーで使用する予定。
/25トラッカートリガー導入 回路開発
21
ATLAS日本グループが開発に貢献。
ピクセル・ストリップから情報を受信し、クラスタリングを行う。
2015年に導入する予定。 HL-LHCへの足がかり。
本学会18pSH参照
/25改良後に想定されるレベル1トリガー発行頻度
22
右の表:HL-LHCにおいて
トリガー改良後に想定される
レベル1トリガーの発行頻度。
“Letter of Intent for the Phase-II Upgrade of the ATLAS Experiment”, CERN-2012-022, LHCC-1-023
レベル1データ輸送幅からの制限(< 200-400 kHz)を満たす。
ルミノシティ7 x 1034 cm-2s-1を仮定。
/25
おわりに
23
/25拡張性
HL-LHCに向けたトリガーの開発は、将来のハドロンコライダーにおけるトリガー構築に向けたステップとなりうる。
24
HL-LHC 14 TeV HE-LHC 33 TeV
VHE-LHC 100 TeVRende Steerenberg, CERN, Rencontres du Vietnam 2013
/25
HL-LHCに向けて、トリガーの改良は必須。
ATLAS実験では、以下の改良を行う計画。
レベル1トリガーの発行頻度を大きくし、より多くの事象を、後段のソフトウェアトリガーにおける効率的な判定にかける。
レベル1トリガーの発行時間を大きくし、レベル1トリガーのロジックを改良する。
ALTAS日本グループは、ミューオントリガー改良を中心に、カロリメータトリガー改良・トラッカートリガー導入にも貢献。
HL-LHCでのトリガーの実現に向けて、準備・開発が進行中。
25まとめ
/25
予備のスライド
26
/25レベル1トリガー発行頻度の比較
27
レベル1トリガー 発行頻度電子・光子 200 kHz
ミューオン > 40 kHz
タウ 50 kHz
レプトン対 100 kHz
ジェット・質量欠損 ~ 100 kHz
合計 ~ 500 kHz
レベル1トリガー 発行頻度電子 40 kHz光子 10 kHzミューオン 10 kHzタウ 20 kHz
レプトン対 < 5 kHz
ジェット・質量欠損 ~ 100 kHz
合計 ~ 200 kHz
トリガー改良前 トリガー改良後
/25ミューオンの横運動量と断面積の関係
28
ATLAS Muon Spectrometer TDR
横運動量pTに対して
! pT > X [GeV] !という要求をすることで、 興味のある事象に対する アクセプタンスを保持しつつ、 興味のない事象を除外できる。
/25ミューオントリガー HL-LHC以前の改良
29
2012年まで(Run 1)のトリガー:"複数層のRPC(バレル)、TGC(エンドキャップ)による位置測定。
2015年以降(Run 2)のトリガー:"内層のTGC、カロリメータのヒットとのコインシデンスを追加。
2020年以降(Run 3)のトリガー:内層のミューオン検出器を入れ替え、内層におけるベクトル情報(~1 mrad)を追加。
New small wheel ( Run 3 - )
Run 1
Run 1
Run 2Run 3
参考:ATLAS-TDR-020-2013! ATLAS-TDR-023-2013
参考:ATLAS-TDR-023-2013参考:2008 JINST 3 S08003
/25ミューオン精密位置測定器MDT (Monitored Drift Tube)
30
Tube material Al
Outer tube diameter 30 mm
Wire material Gold-plated W/Re (97/3)
Wire diameter 50 μm
Gas mixture Ar/CO2 (93/7)
Gas gain 2 x 10
Maximum drift time ~700 nsec
Resolution per tube ~80 μm
Position and angle are “monitored”for obtaining the required resolution.
/25ミューオントリガー改良 コンセプト
31
NSW
MDT chambers
2つの線分の角度差を用いる。 小さな角度差:高い運動量。 想定する角度分解能:~1 mrad。
(磁場中)
エンド キャップ
バレル
角度差(ラジアン)
オフライン解析での1/pT [GeV-1]
バレル
LHCでの要求を満たす
ミューオン候補数
角度差(ラジアン)
オフライン解析での1/pT [GeV-1]
エンド キャップ
LHCでの要求を満たす
ミューオン候補数
/25ミューオントリガー改良 期待される性能
32
ミューオン候補数
/ 0.
06
擬ラピディティ(ミューオンの飛行方向を示す。)
HL-LHC前に想定される要求後磁場が弱い領域に対するマスク後精密位置測定器を用いた要求後オフライン解析で
pT > 20 GeVの候補
精密位置測定器を用いた要求を行う事で、レベル1ミューオントリガーの発行頻度を半分程に削減できる。
実データを用い、pT閾値20 GeVのミューオントリガーに対して性能を評価。
/25カロリメータトリガー改良 概要
33
検出器は変えずに、電子回路の入れ替えを行うことで、トリガーにおけるエネルギー測定の領域分けを詳細にする。
現状 レベル0 レベル1(電磁カロリメータの2層目)
レベル0で、3 x 2領域と7 x 2領域のエネルギー比を用いることで、
電子トリガーの発行頻度を1/3-1/4にできる。レベル1でさらに向上。
0.1 (η)
0.1 (φ)
/25カロリメータトリガー改良 ブロック図
34
現行のトリガー部。 (アナログ和利用。)
取り除く。
2018年に導入 (アナログ和)
HL-LHCで 導入(交換)
すべてのセルのデータ処理
フルに細分化された データを使用。
0.1 x 0.1や
0.025 x 0.1の和 を使用。
レベル0
レベル1
/25レベル1カロリメータトリガー
HL-LHCにおけるレベル1カロリメータトリガーでは、フルに細分化されたデータにアクセスできる。
したがって、エネルギーと位置の測定精度が向上。
レベル1カロリメータトリガーの出力は、電子・光子、タウ、ジェットのオブジェクト。それぞれ、横エネルギー、精密な位置、複数のエネルギー和の情報を提供。
35
π0→γγの識別も 効率的に行える。
/25カロリメータトリガー改良 パイルアップ耐性
36
左図は、バンチ衝突あたりの 相互作用数の平均80に対する シミュレーション。
!より細分化された領域に対する エネルギーを用いることで、 バンチ衝突あたりの相互作用数 の増加に対する耐性が向上する。
/25トラッカートリガー導入によるタウトリガー改善
37
同じレベル1の
発行頻度を仮定
したときのタウの
検出効率が、飛躍的に向上。
/25トポロジカルトリガー
38Thorsten Wengler ECFA HL-LHC Experiments Workshop 1st – 3rd October 2013
/25後段トリガー(ソフトウェアトリガー)
レベル1トリガーの発行頻度:200-400 kHz
後段トリガーの発行頻度(データ保存の頻度):5-10 kHz
後段トリガーの除去率:20分の1から80分の1
!
10年後までに期待される計算機の発展を生かし、
よりオフラインに近い解析を行う。
多数のコアを同時に使用し、プロセスをパラレルに走らせる。
39
/25HL-LHCに向けた暫定的タイムライン
40
2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
LHC Run 2 LHC Run 3 HL-LHC
物理研究 デザイン検討
TDR 準備 R&D 建設 インストール
試運転運転