河野 能知 （CERNHamburg） 実験理論共同研究会 「LHCが切り拓く新しい物理」 4月1－3日、東京大学

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1 河野 能知 （CERNHamburg） 実験理論共同研究会 「LHCが切り拓く新しい物理」 4月1－3日、東京大学
Trigger 河野　能知 （CERNHamburg） 実験理論共同研究会 「LHCが切り拓く新しい物理」 4月1－3日、東京大学 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

2 内容 ATLASトリガー 実験初期のプラン Exotic用のトリガー まとめ LHCでの物理とトリガー ATLASトリガー・システム
Level-1 & HLT slices and their performances 実験初期のプラン トリガー・メニュー 最初のビームから安定したランまで トリガー・アルゴリズムの性能の理解 Exotic用のトリガー まとめ 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

3 Physics at LHC 主要な物理 Higgs（様々な崩壊モード） 新粒子探索 大量のQCD過程ジェット事象
σ (proton-proton) 主要な物理 Higgs（様々な崩壊モード） 新粒子探索 大量のQCD過程ジェット事象 W, Z, topも大量に生成される 物理の測定および較正用サンプル QCD過程に比べて断面積が数桁低い過程を調べる必要がある 他は崩壊モードによってbranching ratioにより、さらに少なくなる 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

4 トリガーの役割 大量の衝突事象から興味のある事象を選ぶ 最初の事象選別 衝突頻度： 40 MHz
ディスクへ書き込めるレート: ～200 Hz　（300 MB/s） 最初の事象選別 オフラインでの解析に用いる事象は何らかの形でトリガーされなければならない 広範な物理をカバー トリガーによる効率の理解 複数の方法でトリガーしてお互いの理解に用いる 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

5 トリガーに使うシグナル QCD過程の終状態は主にジェット（2-jet, 3-jet, …） レプトン Missing ET ジェット
Electron: EM shower shape Muon : Muon chamber Tau (hadronic decay) : Narrow jet 必要に応じてIsolationを要求 Missing ET High ET ニュートリノやその他観測されない粒子 ジェット b-jet, high-ET jet, Multi-jet その他、複数のシグナルの組み合わせ 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

6 ATLAS trigger Level-1 （40 MHz  ~75 kHz）: Muon chamberとカロリメータの情報のみを利用
Level-2 （ ~75 kHz  ~2 kHz）: 全測定器のデータを利用可能。ただし、Level-1で何かが見つかった領域だけを調べる（デザインでは、全体の約2%） 実行時間 ： 40 ms/event Event Filter（~2 kHz  ~200 Hz）: 全測定器のデータを利用可能。オフラインでの再構成に近いアルゴリズムを走らせる 実行時間 ： 2-3 s/event 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

7 ATLAS trigger どれか一つのトリガーが 鳴れば、その事象を残す 広範な物理プロセスをカバーするために、
L1_EM7 L2_e10 EF_e10 L1_MU10 L2_mu10 EF_mu10 L1_TAU13_XE20 L2_tau15_xe20 EF_tau15_xe20 どれか一つのトリガーが 鳴れば、その事象を残す 広範な物理プロセスをカバーするために、 さまざまなトリガーを同時に走らせる 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

8 Cluster(e/γ/τ) Processor
Level-1 trigger system L1 Muon L1 Calo Preprocessor TGC RPC Cluster(e/γ/τ) Processor Jet/EnergySum Processor MuCTPI Central Trigger Processor L1 Muon, L1 Caloから各thresholdをパスしたオブジェクトの数（multiplicity）を受け取る Multiplicityを元に論理を組む MU20(x1), EM7(x2)&&J50 etc. CTP 出力は、256bit Level-2 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

9 Level-1 muon trigger Muon chamber（RPC、TGC）でのヒットを結んだ曲線が、原点からの直線とどれくらいずれているかでpTを見積もる RPC, TGCともに３層で曲率（pT）を見積もる Level-1では、最大６つのthresholdを設定可能 RPC TGC pivot plane 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

10 Level-1 calorimeter trigger
η×φ=0.1×0.1のTrigger towerを元に計算 EM/TAU clusters ET EM isolation Hadronic isolation Hadronic veto (had core<X) Jet trigger ET threshold Window size: η×φ=0.8×0.8 (usually) |η|<3.2、 3.2<|η|<4.9はforward jet MissingET, TotalET, JetSumET ET threshold 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

11 EM cluster variables 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

12 Level-1 thresholds ハードウェアの制限から全体で160 bitを入力として使える
Threshold type 省略形 設定可能なThreshold数 Multiplicityを表すbit数 Muon MUON 6 3 EM cluster EM 8 Hadronic cluster TAU Jet JET Forward jet FJ 4 2 Missing ET XE 1 Sum ET TE Jet Sum ET JE その他 NIM input ハードウェアの制限から全体で160 bitを入力として使える NIMは、MBTS, BPTX, BCM, LUCID,ZCD,TRT,Scintillatorなどに利用 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

13 High Level Trigger (HLT)
HLTは、Level-2とEvent Filter (EF)の総称 ソフトウェアによるトリガー 原理的にはオフラインと同じデータを利用可能 但し、素早く行うためにLevel-1で特定した領域のデータのみを処理する 専用のPC farmで実行（Level-2: 1000 CPU, EF: 3000 CPU） HLTで使用するアルゴリズム シグナルの再構成の方針はオフラインのものとほぼ同じ 簡略化されたアルゴリズム 実行時間に制限がある トリガーに使うアルゴリズムは長期間に渡って安定したものを使いたい。オフラインと違ってトリガーはreprocessできない なるべく単純なcalibration 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

14 HLT slices Muon Electron/photon Tau Jet/forward jet Bjet
MissingET/SumET B-physics Minbias 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

15 Muon trigger HLT muon trigger Muon chamber（MS）での飛跡の再構成
Inner Detector（ID）での飛跡の再構成 MSとIDのtrackのマッチング（分解能の向上） （カロリメータを使ってのisolationの要求） 基本的にはLevel-2もEFも同様だが、EFでは、より正確なtrack fitを行う トリガーしたいイベントは、W/Z、top、SUSYなどからのhigh-pT muon しかし、実際にトリガーされるイベントは大部分が/Kやb/c-quarkからの崩壊ミューオン 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

16 Electron/photon trigger
HLT electron trigger EM clusterを探す η×φで3×7のclusterを探す Rcore Rstrip ID tracking ClusterとID trackのマッチング カバーする物理 W/Z top (from W/Z) Higgs (from W/Z) SUSY tau  enu (10-15 GeV) exotics (high pt, no isolation) 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

17 electron trigger variables
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18 Electron trigger efficiency
2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

19 Tau trigger ATLASで、tau triggerといった場合、hadronic decayモードを指すので、selectionの方法は如何にQCDジェットを落とすか tau1 prong, 3 prongがほとんど 細いジェット、track数が少ない Tracking cuts pT of the leading track > XXX ΣpTiso/ ΣpTcore N of slow tracks Total charge Total pt in the core Cluster cuts Calibration L2: sampling-based EF: cell-based 0.3 Core 0.15 Isolation ring 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

20 L2 tau: cluster variables
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21 L2 tau: tracking variables
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22 Jet trigger HLTでは、Coneアルゴリズム オフラインと違って、どれか一つに決めて走らせなければならない
最近では、kt, anti-kt, Sisconeなどを導入しようという動きもある。どのjet algorithmを使うかは物理グループが決めるべきである。 実行時間、長期的な安定性 Jet triggerの目的 QCD jet cross section 最も高いthresholdのみ Background/performance study用のサンプル Uniform spectrum for all ET Multi-jet top, SUSY etc. 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

23 B-jet B-hadronの崩壊から来るtrackがsecondary vertexを作ることを利用する
最も有効な変数は、trackの横方向のimpact parameter L1 jet RoIの周りのη×φ=0.4×0.4の範囲でtrackを探してimpact parameterを調べる track-jetを使ってjet-axisおよびimpact parameterの符号を計算 EF Calibration sample μ+jet events (b-jet enriched) L2 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

24 MissingET L2 missingET L1 missingETの結果をそのまま利用
Muonが見つかった場合、そのmuonの分のETを考慮に入れてMissingETを再計算 EF missingET カロリメータのcellを全て足し合わせてmissingETを計算 Calorimeterのノイズやhot cellの影響に非常に敏感 Detector studyが重要、カットに使う変数はETのみ Level-2の性能は、level-1とほぼ同じ 実行時間の制限のため、全てのcellを読みだすのは不可能 MissingETは、他のシグナルと組み合わせて使われることが多い（特にtau+met） 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

25 QCDサンプルでの立ち上がり xe30 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

26 Wτνサンプルでの立ち上がり xe30 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

27 Trigger menu これらのトリガーを組み合わせて、実験全体で使うトリガーを決める（トリガー・メニュー） 重要なインプット
物理に対するトリガー効率 Signal MCを使って見積もる データ収集レート 現在はMinbias MCを用いて見積もる 物理のためのトリガー以外にも、calibration用のサンプルを収集したり、測定器やトリガー自身のコミッショニングのためのデータも必要である。低ルミノシティ時には、これらの割合が大きくなる 現在は、 データ収集用のオンラインのメニューは、できるだけシンプルに、 MC production用のメニューでは、高ルミノシティでのトリガーも含める Threshold (pT) Selection tightness L=1031 L=1032 prescaled region 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

28 物理用のトリガー ATLASの基本的な方針は、できるだけinclusiveなトリガーを使う
single electron, single muonといった単純で多くのプロセスをカバーできるものを用いる Searchに関しては、何がみつかるか分からないので、特定の終状態に特化し過ぎるとはずれる可能性がある ただし、inclusive triggerではレートが落ちないときは、combined triggerを使用 tau+missingET（Wtau+nu） multi-jet など（hadronic top） Exotic events Long-lived particleなど、一部シグナルが遅く出るもの（> 25 ns）をとらえるには、さらに特別なトリガーが必要　（後述） 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

29 実験初期のアプローチ 実験初期のコミッショニング時 安定した衝突時 現在、考えられているメニュー
Single beam, L=1029 – 1031 cm-2s-1 ATLASでの主な研究対象であるプロセスからのレートは非常に低い。その分detector studyやcommissioning用のデータを多く取る 安定した衝突時 L=1031 – 1032 cm-2s-1ではHLTを使わないとレートは落ちない。HLTが正しく動作していることを素早く検証して改善していく必要がある ただし、ルミノシティが低いのはバンチ数が少ないからであって、pile-upへの備えが必要。 現在、考えられているメニュー Commissioning　（Level-1, HLT pass-through）、Cosmic含む （この間をどう埋めるかは現在も議論が進行中） L=1031 L=1032 Enhanced biased sampleをまとめて収集してレートをチェック MC production用のメニュー 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

30 L=1031メニューでの代表的なトリガー 他にも多数のトリガーが存在。詳しくはL31TriggerMenu参照 SM Top Higgs
SUSY Exotics B-physics 主なプロセス、モード W/Z QCD jets Leptonic Hadronic ZZ,WW gg, tautau XE+jets XE+lepton TotalET lepton 2mu4 2e5 e10_medium ✔ 2e10_loose mu10_looose 2tau16i_loose tau16_loose_xe30 j350, te360 asymmetric 3j, 5j 3j+xe30 2b23_3L1J23 3b18_4L1J18 他にも多数のトリガーが存在。詳しくはL31TriggerMenu参照 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

31 予想されるレート Minimum bias のMC simulation sampleにより、現在のメニューでのレートを予想
各段階でのレートの制限に収まるように、threshold, prescaleをtune 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

32 トリガー性能の測定 トリガーの性能の理解 Study用にどのようなサンプルが必要か？ 安定した物理データの収集に必要不可欠
シミュレーションと同時に実データでの検証が必要。これをもとに、さらにシミュレーションを改善 解析においてトリガーは最初の事象選別であり、トリガー効率やオフライン解析との相関を把握する必要がある Study用にどのようなサンプルが必要か？ より低いthresholdで収集したサンプル（with prescale）? Thresholdでの立ち上がりはわかるが、絶対値はわからない Di-object resonanceを利用（tag-and-probe法） サンプル数は？どのくらいの精度でトリガー効率を求める必要があるか？ 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

33 トリガー効率の測定方法 Tag-and-probe法 直交したトリガーでバイアス無しのサンプルを使用
J/Ψll, Zll electron, muon 直交したトリガーでバイアス無しのサンプルを使用 jet triggerの効率を調べるために、muonでトリガーされたものを使用 より低いthresholdでトリガーされたもの（prescaled） eff(j23|j10) etc. thresholdでの立ち上がりは、わかるが絶対値は別の方法で調べる必要がある Combined trigger（tau+mET）など 個々のefficiencyを求めて計算 相関がある場合は、簡単ではない 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

34 Tag-and-probe法 二つのオブジェクトが存在する事象を求めて、効率を測定 オフラインで２つのmuonが再構成された事象を用いる
２つのミューオンの不変質量がJ/Ψ（Z）の質量に近 いことを利用してpureなmuonサンプルを得るこが できる。 J/Ψμμ 数100k 事象で数%の精度 *2 BARREL ENDCAP J/j Triggered muon(MU06) Trigger judgment Probe muon Step.1 Step.2 Step.3 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

35 Tau trigger efficiency
Zττ(lh) with 100 pb-1 統計が少ない Use tau-like QCD jet to measure tau eff. tau IDの条件をきつくしていくことで、 本来のefficiencyに近づく 統計的には問題ない Zττとcross check 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

36 Jet trigger efficiency
L1_MU20でトリガーされたサンプルで、10 pb-1でも十分な統計が得られる L1_EM18でも可能（jetとelectronのオーバーラップを考慮しなければならない） 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

37 実験初期で予想される統計数 L=1031 cm-2s-1、100 pb-1における数 Minbias 断面積 （σ～70 mb）
O(100 M) Dijets with ET>100 GeV （σ～1 μb） O(100 M) （prescale無し） J/Ψμ+μ- （pT>6, 4 GeV, |η|<2.4） （σ～10 nb） O(1 M) Wlν : ～ 200 k Zl+l- : ～40 k tt qqlνbb : ～10 k 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

38 実験開始に向けてやるべきこと 物理の解析に必要なトリガー 標準でないシグナルを持つプロセスのトリガー 実データに基づいた素早いフィードバック
目的の物理過程用のトリガー BG、efficiencyやfake rateのstudyに必要なサンプル ルミノシティが上がった場合どうするか？ 標準でないシグナルを持つプロセスのトリガー いろんな標準模型を超えるモデルがある中でトリガーで逃すことがないか？ 新しいアルゴリズムの開発が必要な場合も 実データに基づいた素早いフィードバック 役に立つデータが取れているかを素早くチェック Detector /performance/physics group間の連携 トリガーの設定に問題があるのか、測定器側の問題か？ 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

39 Exotic用トリガー Massive charged particle (非常に遅い粒子) 安定な重い荷電粒子
重いmuonのように見える（β<1） “stau trigger” 長い寿命（測定器内で崩壊）を持った中性粒子 Hidden Valley Higgs decay IPから離れたb-jetの崩壊点 中性粒子がどこで崩壊するかにより、異なったシグナルが観測される q g ~ c01 p 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

40 ATLAS測定器でのシグナル muonと同じようなシグナル
The signal in ATLAS is a charged particle with low  muonと同じようなシグナル バックグラウンドはhigh-pt muon muon slepton b Entries/bin µ- like Same BC Next BC Low β particles Muon spectrometerに到達したときには、データの読み出しは次のbunch crossingに移っている Level-1では問題があるが、次のbunchのデータも読みだすことは可能 0.5<β<0.95 同じBunch crossing 質量を再構成できる β~1 通常のmuonと同じように見える トリガーに問題はないが、質量はわからない 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

41 質量の再構成 RPC, TGCのタイミング情報からβを測定 Inner detector trackからpを測定 シグナルに対する効率
L2 ID pT L2 MS pT GMSB

42 Long-lived neutral particle
Decays between HCAL & 1st muon trigger plane 狭いη/φ領域に3つ以上のmuon RoIが存在 Decays in/near HCAL Jets with log10(Ehad/Eem) ~1.5 ~-1 for jets from ID/ECAL Jets from πv are narrow (ΔR~0.2) Decays in the ID Low tracking efficiency Trackless jets containing muons from b-jets # of L1  RoIs in cone πv radial decay distance HCAL First RPC 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

43 Long-lived neutral particle (2)
Efficiency 21.1% for h → πv πv → Efficiency 67.3% for Z’→Qv Qv → πv shower Negligible changes with pileup Background ~ MC stats available not enough 500K enhanced MINB (L= 10-4 pb-1) 800K J2 events Study background with collision data Sensitive to detector malfunction mh = 140 GeV mass πv = 40 GeV c = 1500 mm  = 21 pb 100% BR for h→πvπv 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

44 まとめ ATLASトリガー 実験開始に向けての現状 ATLASで期待される物理を全てカバーしているか？
3段階のトリガー。HLTではRoI内のデータを処理 広範な物理をカバーするために、様々なトリガーを用意 実験開始に向けての現状 L=1031, 1032 cm-2s-1用のトリガー・メニューを準備中 最近はdetector, performance, physicsグループからのリクエストも増え始めている 物理だけでなく、calibrationやcommissioningも必要 ATLASで期待される物理を全てカバーしているか？ Long-lived particleなど Forward jet、rapidity gap 現在開発中 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

45 トリガーの導入にあたって 導入の目的 レートが高すぎた場合への対処法 どのようにそのトリガーの性能を調べるか？ 目的とする物理
Level-1, level-2, EFで用いるトリガーの組み合わせ シグナルに対する効率 どれくらいレートを増やすか。他のトリガーとの重なり レートが高すぎた場合への対処法 Thresholdを上げるべきか、prescaleすべきか？ どのようにそのトリガーの性能を調べるか？ 他に直交するようなトリガーがあるか？ よりthresholdの低いprescaled trigger? そのためにどれくらいサンプルが必要か？ 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

46 Backup 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

47 Streaming EF_e20i EF_mu6 EF_e20 EF_j50 EF_mu10 egamma muons
calibration jetTauEtmiss minbias express パスしたデータによって別々のstream （ファイル）にイベントデータを保存 後の解析でのアクセスを容易にするため 一部のdetectorのデータのみを 高レートで保存 全体の10%を使ってTier0での reconstructionをチェック（calibration etc.） 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

48 ATLAS overview week (Bern)
BPTX and MBTS BPTX (Beam pickup system) Installed at 175 m from the IP on both sides Provides the timing reference of the beam at O(1) ns precision Signal available to the CTP to form a trigger logic MBTS (Minimum Bias Trigger Scintillator) Located on LAr cryostat (|Z|=3.5 m, R=0.15 – 1.2 m) 16 scintillators on each side (32 bits to the CTP) Especially important at early running 7-11 July, 2008 ATLAS overview week (Bern)

49 HLT/DAQ architecture ROIB L2SV DFM SFO SFI 測定器 Pixel, SCT, ... ROS EFD
RoIB: RoIBuilder L2SV: L2 SuperVisor L2PU: L2 Processing Unit ROS: ReadOut System ROB: ReadOut Buffer DFM: Data Flow Manager EFD: EventFilter Dataflow manager PT: Processing task SFI (SFO): SubFarm Input (Output) LVL1から RoI ROIB L2SV L2Result ~75 kHz L2PU DFM (×500) Tier0へ start EB SFO RoI内データ要求、 ROB frag. ~1-2 kHz clear, if reject 一旦ローカルなディスク（24 TB）にデータを書いてからテープへコピー SFI 200 Hz 全ROB frag., clear 測定器 Pixel, SCT, ... (×100) ~1-2 kHz ~75 kHz ROS 完全な事象 データ (×160) EFD RODROB L1レートでデータを読み出してバッファしておく。 最長、Event buildingが終わるまでデータを保持 L1IDでイベントを同定 PT EFノード (×1500) 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

50 LHCの運転スケジュール LHC commissioning Collision at 5 TeV
Single beam with a few bunches Both beams with a few bunches Collision at 5 TeV Peak luminosity 5・1031 Peak luminosity 2・1032 Provides integrated luminosity of 200 pb-1 物理データ取得のためのトリガーとしては、L=1031～1032を前提にメニューを組んでいる 解析に必要なトリガー Calibration sampleの収集 測定器やトリガーのコミッショニングのためのサンプル 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

51 Calibration trigger 主にdetectorのcalibration用に特定のdetectorのデータの一部のみを集めたもの
trk*_id isolated track（）、ID alignment用 lar*_calib: LAr のシグナルに対する応答のcalibration用 Muon calibration stream Level-2で見つかったmuonのデータをthreshold以下のものまで含めて収集。MDTのt0, r-t関係の較正 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）

52 Slow-moving charged particle
Different Event structure and β spectra– model independence GMSB Slepton NLSP may be long-lived The decay chains are long busy events b tends to high values We used a point w M(stau) = 102.5, M(eR) = 100.3,  = 21 pb Split SUSY Gluino NLSP hadronize to long lived R-Hadrons 2 gluinos produced directly lower b Not much else in the event R-Hadron may flip charge from inner detector to muon spectrometer Interactions with matter model dependent q g ~ c01 p 2019/5/10 実験理論共同研究会　（東京大学）