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

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

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

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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

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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