Il trigger di LHCb

Il trigger di LHCb [39] è stato concepito per effettuare una selezione efficiente dei decadimenti dei quark pesanti, rispetto al grande fondo dovuto ai quark leggeri, passando dai 40 MHz delle collisioni a 5kHz, che e’ la frequenza massima con cui e’ possibile memorizzare gli eventi. Solamente una piccola frazione degli eventi, circa 15 kHz, contiene decadimenti derivanti dagli adroni b dentro l’accettanza di LHCb. La frequenza di decadimenti di adroni b interessanti è più bassa, equivalente a pochi Hz. Il corrispondente valore per adroni c è circa 20 volte maggiore. Di- venta quindi cruciale per il trigger riuscire ad eliminare il fondo fin dai primi stadi dell’acquisizione.

Il trigger di LHCb è suddiviso in due stadi: il Livello 0 (L0) e il trigger di alto livello (High Level Trigger, HLT). La struttura a doppio livello permette una rico- struzione veloce e parziale degli eventi al livello 0, ed una ricostruzione più complessa ad alto livello. Il livello L0 e’ completamente implementato su elettronica dedicata,

Capitolo 2 L’ambiente sperimentale al Large Hadron Collider

Figura 2.16: A sinistra: una vista laterale del rivelatore di muoni. A destra: la geometria di un quadrante delle camere, in cui ogni rettangolo rappresenta una camera. Le dimensioni lineari e la segmentaione di R1, R2, R3 ed R4 stanno nel rapporto 1:2:4:8.

lavorando in modo sincrono con la frequenza delle collisioni. Tramite l’L0, utiliz- zando le informazioni dei calorimetri e delle camere a muoni, si riesce abbattere il flusso di dati da 40 MHz fino a 1.1 MHz, che risulta essere la massima velocità a cui gli eventi possono essere letti dai rivelatori. HLT invece viene implementato in un sistema software, in cui si esegue una selezione più fine degli eventi, basata sull’uti- lizzo di tutti i rivelatori e riducendo il flusso di dati a 5 kHz, la massima frequenza a cui gli eventi possono essere memorizzati. In Figura 2.17 mostriamo il flusso del trigger di LHCb.

Il trigger di Livello-0

Il trigger L0 è effettuato combinando canali indipendenti, L0 pile-up, L0 muon, L0

calorimeter ed L0 hadron. La decisione di livello 0 viene effettuata attraverso l’OR

logico del risultato dei tra rami, con il risultato di ridurre il flusso dati da 40 MHz ad 1.1 MHz.

L’unità di decisione del L0 fornisce la decisione globale di livello 0, distribuendola a tutte le schede del readout, e successivamente alle schede di front-end. Questo è necessario in quanto le informazioni di alcuni rivelatori vengono fornite solamente dopo la generazione dell’L0. I dati di tutti i rivelatori vengono memorizzati in registri formati da una pipeline analogica, letta con una latenza fissata a 4 µs, in cui viene presa la decisione del trigger di livello 0. Queste specifiche sono state raggiunte

Figura 2.17: Il flusso del trigger di LHCb, con riportate le selezioni e la frequenza degli eventi all’ingresso di ogni stadio.

Capitolo 2 L’ambiente sperimentale al Large Hadron Collider

costruendo schede elettroniche custom per l’intero sistema L0, facendo largo uso di strutture parallele ed a pipeline per concludere il processamento entro la latenza fissata. A questo stadio, sono processate le informazioni derivate dai calorimetri e dai rivelatori a muoni.

Il trigger Level 0 pile-up contribuisce alla misura di luminosità e non è utilizzato per la selezione di eventi interessanti. Le informazioni sono quelle derivanti dalle stazioni di veto del VELO, con le quali vengono misurati il pile-up e la molteplicità delle tracce.

Il trigger Level 0-muon utilizza le informazioni delle 5 stazioni del rivelatore di muoni, per identificare i muoni più energetici. Una volta identificati due candidati muoni con alto momento trasverso in un quadrante, la decisione del trigger dipende da due soglie: una sul valore più elevato del momento trasverso (Level 0 muon) ed una sui due valori più alti di momento trasverso (Level 0 dimuon).

Il trigger Level 0-calorimeter viene elaborato grazie alle informazioni derivanti dal sistema di calorimetri, inclusi il preshower e gli scintillatori. Viene calcolata l’energia trasversa depositata in un cluster di 2 × 2 celle della stessa dimensione, sia per l’ECAL che per l’HCAL. L’energia trasversa è combinata con il numero di hit presenti nel preshower e nello scintillatore, in modo da definire un trigger specifico per i fotoni, gli elettroni e gli adroni.

Il trigger Level 0-hadrons ha lo scopo di collezionare campioni numerosi di parti- celle provenienti dai decadimenti di adroni c e b. Tali particelle hanno in media un momento trasverso maggiore rispetto alle particelle provenienti dai dedacimenti dei quark leggeri, il che aiuta nella discriminazione rispetto al fondo.

Il trigger di alto livello

Gli eventi selezionati dal Livello 0 di trigger vengono inviati ad un centro di selezione, composto da una farm di 29000 processori commerciali per PC, per la decisione dello stadio di HLT. L’algoritmo di HLT è implementato tramite un programma scritto in C++, che viene eseuito da ogni processore, ricostruendo e selezionando gli eventi nel modo più simile possibile all’algoritmo usato per le ricostruzioni offline. Una sostanziale differenza tra gli algoritmi online ed offline è il tempo disponibile per ricostruire un singolo evento. La ricostruzione offline richiede 2 s per evento, mentre l’algoritmo online deve completare la ricostruzione di un evento in circa 50 ms, tempo che dipende sia dalla frequenza di arrivo degli L0 e dalla potenza di calcolo dei processori.

Le selezioni usate all’interno di HLT sono molteplici e sono specifiche per gli eventi di interesse. in particolare decadimenti di adroni c e b. Ogni selezione è specificata da un certo algoritmo di ricostruzione e da criteri di selezione che riguardano la cinematica delle particelle, la topologia del decadimento e l’identificazione delle par- ticelle. Il tempo di processamento di HLT è diviso tra due livelli, chiamati HLT1 ed HLT2. La principale differenza tra i due riguarda la complessità delle informazioni che possono essere utilizzate ed il tempo che hanno a disposizione. Viene quindi