Acercándonos al LHC

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 LHC TRIGGER
 


En Física de Partículas, el trigger es un sistema que usa criterios simples para decidir rapidamente que eventos deben ser considerados cuando sólo una pequeña fracción pueden ser almacenados. Los sistemas Trigger son necesarios debido a las limitaciones en el almacenamiento de datos y en la capacidad de análisis de sucesos. Dado que en los experimentos se buscan sucesos "interesantes" que ocurren a una relativamente baja ratio, los sistemas trigger son usados para identidficar eventos que  puedan ser almacenados para posterior análisis. Los actuales aceleradors tienen una ratio de eventos mayores de 1 MHz y las ratios de los trigger deben ser más bajos de 10 Hz.  La relación entre estos dos ratios se conoce como selectividad del trigger. Por ejemplo, el Large Hadron Collider tiene una ratio de eventos de 1 GHz (109 Hz), y se espera que el bosón de Higgs se produzca con una ratio de al menos de 0.01 Hz. Por tanto, la selectividad mínima requerida es 10−11.

Los Triggers hacen uso de diseños paralelos aprovechando la simetría de los detectores: la misma operación puede ser llevada a cabo en diferentes partes del dectector. A escala global los sistemas trigger se dividen en niveles ("levels"). La idea es que cada nivel seleccione datos para ser llevados al siguiente nivel en el que habrá más tiempo e información para tomar una mejor decisión. 

Un primer sistema de proceso electrónico -hardware- toma la decisión inicial  de mantener un suceso en memorias canalizadas para ser llevadas al siguiente sistema de proceso -software-, basado en sofisticados algoritmos para que tome la decisión subsecuente para una final reconstrucción del evento.

Cada detector tiene su particular diseño y propiedades para el sistema trigger. Por ejemplo, en CMS el primer nivel permite un almacenamiento de los datos por 3.2 μs, despues de lo cual no más de 100 kHz de eventos almacenados serán dirigidos al High Level Triggers. El Level-1 (L1)  está basado en dispositivos electrónicos, mientras que el High Level Trigger (HLT), utiliza procesadores comerciales. El sistema L1 utilizada datos "brutos" segmentados desde los calorimetros y detectores de muones, mientras que el HLT pasa una fracción de estos eventos para un más completo proceso.

Diagrama de bloques del L1 trigger del CMS


Veamos ahora el caso del detector LHCb .

El experimento LHCb está diseñado para aprovechar el gran número de pares b-anti_b  producidos en las colisiones p-p a 14 TeV, con el fin de realizar estudios precisos sobre la violación CP  y ciertas raras desintegraciones en hadrones con quarks b.

El LHCb opera con una luminosidad media de 2×1032 cm2·s1, mucho menor que la máxima con la que está diseñado el LHC, lo que permite una menor incidencia de los daños por radiación.

A esta luminosidad unos 10 MHz de cruces (en lugar de los 40 MHz en CMS ou ATLAS) con colisiones p-p visibles en el detector son esperadas con un ratio de unos 100 kHz de pares b-anti_b. No obstante, sólo un 15% de esos eventos serán detectados, y de elos solamente una fracción de 10suponen desintegraciones interesantes para el estudio da violación CP.

Por tanto, el número de eventos por segundo interesantes que deben ser encontrados son:

100 kHz × 15% × 10-3  → 100·103 × 0.15 × 10-3  = 15  (15 Hz)

Pero recordemos que se producen 10 MHz de colisiones, por lo que un enorme trabajo debe ser realizado por el sistema trigger del detector.

El LHCb trigger está dividido en dos niveles: Level-0 (L0) y High Level Trigger (HLT).

Podemos decir que el L0 es un sistema basado en hardware, y el HLT está basado en software.


O L0 (Level-0) está implementado en forma electrónica, y reduce la ratio desde los 30 a 1 MHz con una latencia fijada de 4μs. La latencia es el tiempo transcurrido entre la interacción p-p y la llhegada de la decisión del Level-0 al FE (El sistema Front-End del LHCb es definido como el proceso e almacenamento intermedio de todas las señales del dectector hasta que sean descargados en el sistema de Adquisición de Datos-DAQ.

El propósito del Level-0 es reducir los 10 MHz de interacciones p-p a un valor que permita decidir sobre los eventos generados. Debido a las grandes masas, los b-hadrons decaen para dar leptones, hadrones o fotones de gran energía, por lo que el Level-0 reconstruye:

-  los agrupamientos de leptones, hadrones o fotones en los calorímetros con más altas energía

-  los muones con más altos momentos transversales en las cámaras de muones.

Esta informacion es recogida por el Level-0 Decision Unit para la selección de eventos. Este sistema (L0DU) recoge toda la información desde los componentes del Level-0 formando así el  Level-0 Trigger. El L0DU es capaz de tomar la decisión sobre el evento para que el Readout Supervisor transmita esa decisión al FE.


El HLT (High Level Trigger) tiene acceso a todos los datos. Con un output rate de 1 MHz desde el Level-0 los datos son digitalizados y almacenados para ser procesados por sofisticados algoritmos en la "trigger farm" formada por 2000 PCs.

El HLT algoritmo está dividido en dos fases secuenciales  (HLT1 y HLT2). HLT1 aplica una progresiva y  parcial reconstrucción desde los eventos candidatos procedentes del L0. Diferentes secuencias de  reconstrucción (llamadas "alleys") con diferentes algoritmos y cortes de selección son aplicadas según el tipo de candidato que proviene del L0. El HLT implica complejos test físicos para buscar específicas "marcas" o signaturas,  como por ejemplo determinadas señales en las cámaras de muones. De forma general, de cada cien mil eventos por segundo solamente unas decenas serán almacenados, siendo descartadas el resto. Sólo interesan aquelela que nos podan mostrar algo de nueva física.

Para más detalles ver http://lhcb-elec.web.cern.ch/lhcb-elec/html/architecture.htm



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