Modernizacja trygera mionwego dla LHC Run-2

CMS jest eksperymentem ogólnego przeznaczenia, dla odkryć fizycznych przy najwyższych świetlnościach i energiach LHC. Po przerwie technicznej LS1 (ang. Long Shutdown), przypadającej na lata 2013-2014 akcelerator LHC został zmodernizowany. Modernizacja ta umożliwia dostarczenie większej statystyki ~300 fb^-1, w latach 2015-21 przy energii 13 TeV (ewentualnie osiągając 14TeV). Takie parametry akceleratora umożliwią:

• zwiększenie precyzji pomiarów stosunków rozgałęzień odkrytej przez eksperymenty ATLAS i CMS

• intensywne poszukiwania fizyki poza Modelem Standardowym,

• zwiększenie precyzji pomiarów Modelu Standardowego i zderzeń ciężkich jonów.

Nowe parametry pracy nie tylko dają możliwości badań ale narzucają konieczność modyfikacji sprzętowych i algorytmicznych niezbędnych do sprostania nowym wyznaniom.

Tryger mionwy w fazie pierwszej działania LHC

 System trygera mionowego, działający w latach 2010-2013 i 2015 składał się z trzech niezależnych podsystemów (DTTF, CSCTF, PACT), z których każdy niezależnie rekonstruuje kandydatów na miony. Jest to rozwiązanie optymalne przy wczesnej fazie eksperymentu, gdzie konieczny jest niezależny rozwój algorytmów. Lepsze jest jednak połączenie sygnałów na wczesnej fazie przetwarzania, aby w konsekwencji dostarczyć więcej informacji dla podjęcia optymalnej decyzji – polepszenia rozdzielczości pędowej mionów umożliwiającej lepszą selekcję przypadków. W celu poprawy działania pierwszego stopnia wyzwalania detektora przeprowadzona jest modernizacja jego elektroniki. W jej ramach mionowy system wyzwalania detektora jest przeprojektowany i przebudowywany.

Ze względu na geometrię detektora CMS wydziela się trzy jego części: beczkę – obejmującą centralny fragment detektora, obszar pokryw (denek) zamykających beczkę oraz obszar, w którym pokrywy i beczka się stykają – jest to obszar pośrednich pseudopospieszności 0.8 < |eta| <1.25.

Obszar pośredni charakteryzuje się nie tylko skomplikowaną geometrią, ale i bardzo niejednorodnym polem magnetycznym. Jedynie tu analizowane są dane ze wszystkich typów komór mionowych. Budowa systemu wyzwalania w tym obszarze wymaga szczególnej optymalizacji algorytmów oraz preferuje algorytmy zbliżone do działających w systemie PACT. Dlatego też Grupa Warszawska została odpowiedzialna za proces modernizacji systemu mionowego w obszarze pośrednim detektora. Proces ten polega na utworzeniu algorytmów, ich testów oraz budowy części systemu wyzwalania detektora na miony. Budowany przez nas tryger nazwany został OMTF (ang. Overlap Muon Track Finder) i łącznie z trygerem BMTF działającym w oparciu o dane z części centralnej, EMTF działającym w oparciu o dane z pokryw, a także układem łączącym i sortującym (GMT), stanowi tryger mionowy detektora CMS nazywany mionowym poszukiwaczem śladów MTF (ang. Muon Track Finder).

Algorytm OMTF

Algorytm OMTF bazuje na porównywaniu sygnałów z detektora z gotowymi wzorcami torów (Golden Patterns). Każdy taki wzorzec reprezentuje mion o określonym znaku (μ+, μ-­) i pędzie poprzecznym. Wzorzec zawiera informacje o gięciu w kącie azymutalnym pomiędzy wybraną warstwą referencyjną a każdą inną. Jednak ze względu na mnogość warstw oraz procesy stochastyczne liczba takich wzorców byłaby ogromna. Dlatego wzorzec opiera się na uśrednionych gięciach ΔΦ mean, i zawiera informację o funkcji gęstości prawdopodobieństwa (PDF) możliwego odchylenia od wartości ΔΦ mean. Na początk u wybierane jest trafienie referencyjne. Następnie dla każdego sygnału ze zdarzenia obliczana jest różnica w kącie azymutalnym ΔΦi pomiędzy każdym trafieniem i danym trafieniem referencyjnym. Aby przyrównać to do wzorca toru algorytm oblicza dla każdego trafienia różnicę między bieżącym gięciem toru i średnim gięciem toru zapisanym we wzorcu (Φdist = ΔΦmean ­ – ΔΦi). W każdej warstwie trafienie z najmniejszą wartością przypisanego Φdist jest wybrane i odczytana zostaje wartość PDF. Następnie obliczona zostaje suma PDF po wszystkich warstwach. Jeśli do wybranego trafienia przypisane jest PDF > 0, to wybrana warstwa jest liczona jaka warstwa aktywna. Ostatecznie, do sygnału zostaje dopasowany taki wzorzec, któremu odpowiada największa liczba aktywnych warstw i największa suma PDF. Powyższe działanie jest powtarzane dla maksymalnie czterech trafień referencyjnych, które mogą się pojawić w ośmiu wybranych płaszczyznach referencyjnych detektora. Algorytm został opracowany na podstawie komputerowych symulacji Monte Carlo w środowisku CMSSW rekonstrukcji i analizy danych eksperymentu CMS. Wyniki działania symulacji pokazane są na Rysunku 1. Na uwagę zasługuje lepsze działanie OMTF niż GMT sprzed modernizacji działającego w latach 2010-2013 i 2015.

Rysunek 1. Selektywność rozwijanego algorytmu OMTF na podstawie pełnej symulacji w środowisku oprogramowania CMS. Krzywe efektywności (lewy rysunek) w funkcji pędu mionu dla przykładowych cięć. Zależność (prawy rysunek, jednostki względne) częstotliwości wyzwoleń od efektywności; algorytm OMTF porównany jest z GMT starego systemu trygera, sprzed modernizacji.

System OMTF

Nowy system jest budowany w oparciu o możliwie jednorodną architekturę elektroniczną i dla implementacji algorytmów OMTF wybrano płytę MTF7, zaprojektowaną przez Uniwersytet Floryda dla układu pokryw. Pełny system MTF będzie się składał z 36 płyt znajdowania torów mionowych, w tym 12 odpowiedzialnych za rekonstrukcję danych w obszarze pośrednim.W ramach projektu Nowy mionowy system wyzwalania detektora Compact Muon Solenoid (etap I, 2014-2016) zbodowaliśmy stanowisko testowe oraz jedną w pełni wposażoną kasetę dla nowego systemu (6 płyt). Uruchamianie i testowanie systemu rozpoczęto w roku 2015, zaś od roku 2016 zbudowany przez nas układ (Rysunek 2) został użyty w selekcji danych dla detektora CMS

Rysunek 2: Testy jednej, częściowo okablowanej, kasety systemu OMTF. Kaseta składa się z 6 płyt MTF7. Widoczny jest programator podłączony do jednej z płyt.

Czytaj o nas w informacji prasowej na stronie FUW Polscy tropiciele mionów zwiększają potencjał badawczy LHC

System OMTF zbudowany został w ramach grantów Narodowego Centrum Nauki 2013/11/B/ST2/04202 i 2015/19/B/ST2/02861.

Algorytmy zaimplementowane w systemie OMTF są modyfikowane w ramach grantu  Narodowego Centrum Nauki 2021/43/B/ST2/01552