Zasada działania mionowego trygera RPC

Przejście mionów przez detektor CMS. Widok w płaszczyźnie poprzecznej. Kształt toru zależy od pędu poprzecznego mionu w wierzchołku zderzenia.

Wyprodukowane w zderzeniach LHC miony poruszają się w polu magnetycznym wytworzonym przez długą cylindryczną cewkę (solenoid) detektora CMS. Pole, o indukcji prawie 4T, powoduje silne zagięcie torów cząstek naładowanych w obszarze wewnętrznym detektora. W jarzmie magnesu (na zewnątrz cewki ) tory mionów odchylają się przeciwnie. Ponieważ krzywizna toru zależy od pędu poprzecznego naładowanej cząstki, więc tory mionów o różnych pędach (poprzecznych) wyglądają inaczej, umożliwiając pomiar pędu. Procesy stochastyczne – rozpraszanie wielokrotne oraz losowość strat energii – zaburzają tor mionu i, uniemożliwiając jednoznaczne przypisanie pędu, utrudniają ten pomiar. Rejestrowane w systemie mionowym miejsca przejść przez obszary aktywne detektora tworzą układ czasoprzestrzenny trafień. Porównanie zarejestrowanego układu trafień z przygotowanymi wcześniej wzorcami umożliwia przypisanie pędu do zarejestrowanego toru.

Komory RPC

Komora RPC: przekrój przez komorę (góra), schematyczne przedstawienie głównych elementów komory (dół).

Kształt toru mionu rejestrowany jest m. in. przez umieszczone w jarzmie magnesu  komory RPC (Resistive Plate Chambers). Komory te dedykowane są do zbudowanego przez Grupę Warszawską systemu wyzwalania. Pojedyncza komora RPC składa się z dwóch równoległych płaszczyzn bakelitu o grubościach ok. 2mm i oporności rzędu 10¹¹ Ω*cm, i odległych od siebie o około 2mm . Pomiędzy nimi znajduje się warstwa gazu (96.2% C2H2F4, 3.5% isoC4H10, 0.3% SF6) pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego. Do cienkich warstw grafitu pokrywających zewnętrzne powierzchnie bakelitu doprowadzone jest wysokie napięcie (9-10kV), wytwarzające w warstwie gazowej silne pole elektryczne. W celu zwiększenia efektywności detekcji mionów dwie pojedyncze warstwy komór RPC stykają się ze sobą (rysunek), zaś pomiędzy nimi znajdują się elektrody odczytowe w kształcie długich pasów z folii aluminiowej.

Przechodzący przez komorę mion jonizuje gaz. Produkty jonizacji poruszając się w polu elektrycznym indukują na elektrodach odczytu sygnał, który rejestrowany jest przez elektronikę. Komory RPC charakteryzują się słabą rozdzielczością przestrzenną (elektroda odczytu ma szerokość 0.5-4 cm i długość do ok. 1 m), dobrą efektywnością rejestracji sygnału (około 95%) i bardzo  dobrą rozdzielczością czasową (ok. 1ns). Parametry te umożliwiają zastosowanie tych komór w systemie trygera, gdzie konieczna jest dobra efektywność i selekcja czasowa, natomiast rozdzielczość przestrzenna ma mniejsze znaczenie.

Płyta transmisji LB (ang. Link Board)

Płyta transmisji danych LB

Sygnał przejścia mionu przez komorę  jest odbierany przez zaprojektowaną w Warszawie płytę transmisji LB, stanowiącą ważny składnik systemu RPC. Zadaniem tego elementu elektronicznego jest zgromadzenie danych docierających jako sygnał elektryczny, synchronizacja danych (stemplowane właściwym taktem zegara LHC) oraz ich przesłanie światłowodem z obszaru detektora do odległych płyt trygera.

Płyta trygera TB (ang. Trigger Board)

Płyta trygera TB z zaznaczonymi wejściami i wyjściami.

Sercem trygera RPC jest płyta trygera TB. Tu odbierany jest sygnał z komór nadany przez płyty transmisji LB. Koincydencja przestrzenna zarejestrowanych sygnałów porównywana jest ze wzorcami pędowymi, przygotowanymi na etapie symulacji detektora. Sam algorytm trygera wykonywany jest w module PAC (ang. PAttern Comparator) zbudowanym w oparciu o układ ALTERA Stratix II. Układ ten pomieścić może kilkanaście tysięcy wzorców pędowych. Dodatkowym zadaniem jest przesłanie nadchodzących danych do systemu akwizycji danych eksperymentu. Płyty trygera TB zostały w całości zaprojektowane i zbudowane przez Grupę Warszawską.

System RPC

Ilustracja systemu trygera RPC. Sygnał z komór jest przesyłany przez przez płyty transmisji LB do płyt trygera TB, gdzie wypracowywana jest decyzja trygera. Stąd przez układ płyt pomocniczych dane przesyłane są do systemu akwizycji i głównego trygera mionowego. Zaznaczono schematyczny podział pomiędzy częścią systemu umieszczoną w hali detektora oraz w hali z elektroniką. Lewe zdjęcie przedstawia układ 2 kaset z płytami transmisji. Na prawym zdjęciu pokazano kasety z płytami trygera TB i pomocniczymi.

System trygera RPC, mieści się w dwóch podziemnych halach eksperymentu CMS. W hali głównej, detektorowej (ang. detector cavern) w galeriach otaczających detektor umiejscowiony jest układ przesyłania danych z detektora RPC. Ponad 1000 płyt transmisji LB i blisko 200 pomocniczych płyt kontrolnych CB (ang. Control Board) przetwarza dane z około 100000 elektrod odczytu blisko 1000 komór RPC. Dane te po kompresji przesyłane są 90 metrowymi światłowodami do hali z elektroniką (ang. counting room). Tu sygnał jest rozsyłany do właściwych płyt trygera TB, gdzie wypracowywana jest decyzja trygera RPC. Wynik, poprzez pomocniczy zespół płyt sortujących i filtrujących (zaprojektowanych i w większości zbudowanych przez nas) wysyłany jest do głównego trygera mionowego (ang. Global Muon Trigger).
Algorytmy transmisji, kompresji i trygera są zaimplementowane są w układach FPGA wielokrotnego programowania, umożliwiając wprowadzanie poprawek a także optymalizację i rozwój używanych algorytmów.

Podstawowe wyniki działania trygera RPC

Rozkład czasowy danych z komór RPC.  Unormowaną liczbę zliczeń (w skali logarytmicznej) przedstawiono jako funkcję przypisanego im taktu zegara LHC. Dane w przedziale “0” są poprawnie zsynchronizowane.

Na rysunku przedstawiono poprawność czasową działania systemu RPC. Dane z komór RPC są przypisywane do określonych 25-cio nanosekundowych taktów zegara LHC. Mierzona jest różnica pomiędzy czasem przyporządkowanym danym przez system RPC i czasem zrekonstruowanym przez główny tryger CMS (wspomagany przez układy monitorujące wiązkę).  Szum komór i miony z promieniowania kosmicznego dają wkład do niewielkiego odstępstwa od synchronizacji idealnej.

Kumulacja efektów wpływających na  efektywność trygera: akceptacja detektora RPC, znalezienie wymaganych  danych,  poprawne zadziałanie algorytm trygera RPC. Wynik podany jest w funkcji pseudopospieszności będącej miarą konta polarnego w detektorze.

Na efektywność trygera (stosunek liczby mionów poprawnie przez tryger zrekonstruowanych do rzeczywistej liczby mionów) wpływa efektywność komór RPC, akcptacja przestrzenna komór oraz efektywnosć algorytmu PAC. Szczycimy się tym, że nasz algorytm jest niemal w pełni efektywny co umożliwia rekonstrukcję mionów z ogólną efektywnością około 90%.

Selektywność trygera RPC: krzywe wyzwoleń trygera dla różnych cięć (progów) pędowych  jako funkcja pędu poprzecznego mionu. Przypadki badano tzw. metodą Znacz i Sprawdź (ang. Tag and Probe). Badany jest sygnał od obiektów rozpadających się w kanale dwumionowym.  Jeden z mionów jest zidentyfikowany przez system mionowy (Tag)  a drugi (Probe) jest identyfikowany przez detektor śladowy i masę niezmienniczą układu, zaś jego rekonstrukcja przez tryger jest przedmiotem analizy.

Selektywność cięć umożliwia ograniczenie zbieranych danych przez wybranie pożądanej kinematyki, w szczególności dużego pędu poprzecznego mionu. Na rysunku pokazana jest efektywność trygera dla różnych cięć pędowych (progów). Zaobserwować można  zmniejszającą się selektywność wraz ze wzrostem progu cięcia (malejąca stromość krzywych). Jest to efekt słabej granularności komór RPC. Obecnie próg pędowy eksperymentu CMS dla przypadków zawierających pojedynczy mion wynosi 16 GeV/c. Oczekiwany jest wzrost progu cięcia do 20-30 GeV/c dla pełnej świetlności LHC.