E xperimentelle T eilchen- und A stroteilchen- P hysik

1. Das ATLAS-Experiment am LHC und der Ausbau des Triggers Experimentelle Teilchen- und Astroteilchen- Physik Mohamed Aharrouche, Bruno Bauß, Markus Bendel, Volker Büscher, Samuel Calvet, Reinhold Degele, Sebastian Eckweiler, Keith Edmonds, Frank Ellinghaus, Eugen Ertel, Frank Fiedler, Johanna Fleckner, Karl-Heinz Geib, Christian Göringer, Carsten Handel, Marc Hohlfeld, Tobias Hülsing, Gen Kawamura, Sebastian König, Lutz Köpke, Matthias Lungwitz, Lucia Masetti, Carsten Meyer, Deywis Moreno, Sebastian Moritz, Timo Müller, Andrea Neusiedl, Rainer Othegraven, Ruth Pöttgen, Nils Ruthmann, Heinz-Georg Sander, Ulrich Schäfer, Christian Schmitt, Christian Schröder, Giovanni Siragusa, Stefan Tapprogge, Tuan Vu Anh, Tobias Weisrock, Daniel Wicke, Simon Wollstadt Das ATLAS-Experiment Der Large Hadron-Collider (LHC) Ziele: Suche nach dem Higgs-Boson und neuer Physik (Supersymmetrie, Extra-Dimensionen, Schwarze Löcher) • sehr guteDetektion und Vermessung von e/γ, μ,τ, Jets • Spurdetektor: Pixel- und Streifendetektoren (Pixel+SCT) • Übergangsstrahlungsdetektor (TRT Tracker): Spurdetektor und Teilchenidentifikation • Kalorimeter: Flüssig-Argon (LAr), Szintillator&Photomultiplier (Tile) • Myon-Spektrometer: Trigger- und Präzisionskammern • Magnetsystem: Supraleitende Solenoid- bzw. Toroidmagneten • Trigger- und DAQ-System; Datenauswertung mit GRID- Computing Dimensionen: Höhe: 22 m, Länge: 40 m, Masse: 7000 t, Auslesekanäle: ~108 • Supraleitender Hadron-Beschleunigerring mit einem Umfang von 27 km • Gegenläufige Protonenstrahlen mit einer Kollisionsenergie bis zu 14 TeV (zur Zeit 7 TeV) • Vier große Experimente: ATLAS, Alice, CMS und LHCb • Ziel bis Ende 2011: • Integrierte Luminosität von • 1 fb-1 schon erreicht !!!  Myon ATLAS Triggererweiterung für höhere Luminositäten am LHC RoI: Region of Interest PPr: Preprocessor CP: Cluster Processor JEP: Jet Energy Processor CTP: Central Trigger Processor L1A: Level1 Accept Kalo: Kalorimeterdaten Myon: Myonenspurkammerndaten Spur: Spurpunkte aus dem inneren Detektor Motivation des Ausbaus Datenrate Zeit pro Ereignis Kalo Myon Spur DAQ RODs ~1 PByte/s DAQ & RoI RODs 1. Trigger Stufe <75 kHz • Informationsgewinn stagniert bei langer Laufzeit • Steigerung der Luminosität in 3 Ausbauphasen • Höhere Ereignisrate bei gleicher Effizienz • Reduzierung des Untergrundes aus Ereignis-überlagerungen durch topologische Schnitte • Zusammenführen aller Topologischer Informationen in einem Modul (Topo. Prozessor) mit sehr hohe Eingangsbandbreite (~ Tb/s) • Phase0(2013/2014): ~??·1034 cm-2s-1 • Hinzufügen des Topologischen Prozessors • Phase1(2018): ~??·1034 cm-2s-1 • Neuer Pixeldetektor, ?? • Phase2(2022/2023): ~5·1034 cm-2s-1 • Aufspalten von Level1 in Level0 & Level1 • Spurrekonstruktion in Leve1 Pipeline Speicher Myon Info 2,5 ms (0.1x0.1) Myon E/g t/had (CP) L1A Topo- Proz. CTP Auslese Pre- Proz. (PPr) 2. Trigger Stufe ~1 kHz Jet/SET (JEP) (0.1x0.1) ~ 10 ms Daten: Analoge Summen von Kalorimeterzellen (ΔφxΔη) Datenkomposition (0.2x0.2) DAQ & RoI RODs Ereignisfilter ~100 Hz 550 MByte/s ~ 1 s Das Trigger-System • Demoboard GOLD • Aufgaben: • Realisierbarkeit einer Datenübertragung bis zu 10 Gb/s (De-/ Serialisierung, Opto/Elektro-Wandlung) • Latenzbestimmung der Daten- • verarbeitung und Algorithmen • Verwendung von ATCA-Formfaktor • Zahlen & Fakten: • 9 Virtex6-FPGAs (VHX/VLX) • Eingangsbandbeite: ~ 1.7 Tb/s • 144 faseroptische Eingänge • zusätzl. 144 elektrische Eingänge • Verfügbar ab August 2011 • Prototyp • Konzeptionelles Entwicklung begonnen • 2 neue Virtex7-FPGAs • Eingangsbandbreite: ~ 1.2 Tb/s • Optional: neue AvagoMicro o/e Wandler (6mm2/Kanal) • Verfügbar ab Anfang 2012 Entwicklung des Topologischen Prozessor • Herausforderung: Verarbeitung einer Ereignisrate von 40 MHz zur Selektion seltener interessanter Ereignisse und Reduktion der Datenmenge 3-Stufen-Trigger • Das aktuelle System(Rot): • Reduzierung der Datenrate durchAuffinden von Jets, Elektronen, Photonen und Taus • Bestimmung der im Kalorimeter deponierten und fehlenden transversalen Energie-komponente • Das erweiterte System(Weiß): • Topologische Informationen werden in einem neuen Modul über optische Fasern(bis 10 Gb/s) zusammengeführt • Topologischer Prozessor wendet verschiedene Schnitte an, um die Datenrate weiter zu reduzieren : • Winkelkorrelationen Δφ,η • Schnitt auf Überlapp von Objekten • … Auswirkung eines Schnittes auf die Winkelkorrelation der beiden Jets mit den höchsten Transversalenergie als Funktion der Transversalenergie des zweitgrößten Jets Stufe1-Kalorimeter http://www.etap.physik.uni-mainz.de/atlas http://atlas.ch