Upgrade of the Global Muon Trigger for the Compact Muon Solenoid experiment at CERN

Dinyar Sebastian Rabady

doi:10.25365/thesis.51973

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1343580

Title (eng)

Upgrade of the Global Muon Trigger for the Compact Muon Solenoid experiment at CERN

Parallel title (deu)

Aktualisierung des Global Muon Trigger für das Compact Muon Solenoid Experiment am CERN

Author

Dinyar Sebastian Rabady

Advisor

Claudia-Elisabeth Wulz

Eberhard Widmann

Assessor

Peter Krizan

Dietmar Kuhn

Abstract (deu)

Der Large Hadron Collider --- ein großer Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN --- wurde entworfen um Teilchenkollisionen mit beispiellosen Schwerpunktsenergien für Teilchenphysik-Experimente bereit zu stellen. Für dessen zweite Betriebsperiode wurden sowohl die Anzahl der kollidierenden Teilchen, als auch deren Kollisionsenergie erhöht. Um unter diesen herausfordernderen Bedingungen die hervorragende Leistung aufrechtzuerhalten die der Level-1 Trigger des Compact Muon Solenoid Detektors --- ein komplexes Elektroniksystem das in Echtzeit Kollisionsereignisse filtert --- während der ersten Betriebsperiode gezeigt hat, war eine Erweiterung seiner Funktionalität notwendig. Für diesen Ausbau wurde die gesamte Trigger-Elektronik ersetzt und die Systemarchitektur überarbeitet. Während nun im Kalorimeter-Trigger die vollständige Trigger-Information für eine Kollision in einem Prozessor verfügbar ist, wurde der Myonen-Trigger in regionale Spurenfinder-Systeme geteilt, bei denen jedes System Daten von allen drei Myonen-Subdetektoren für eine gewisse geometrische Region erhält und hieraus Spuren erstellt. Demgegenüber wurde im Trigger-System der ersten Betriebsperiode für jeden Subdetektor ein eigener Spurenfinder verwendet. Die Ergebnisse dieser Systeme wurden anschließend im Global Muon Trigger System vereinigt. Die Neugestaltung des Myonen-Triggers machte ein neuartiges System notwendig, welches die Resultate der neuen Spurenfinder erhält, Duplikate entfernt und die am besten rekonstruierten Spuren an das globale Entscheidungssystem weiterleitet. Das neue Global Muon Trigger (uGMT) System wurde entworfen um die obigen Anforderungen zu erfüllen. Es erhält Myonen-Daten von allen regionalen Spurenfindern, wie auch Energie-Information von der finalen Stufe des Kalorimeter-Triggers. Die Myonen-Spuren werden gereiht und sortiert, während zeitgleich deren azimutale Koordinate korrigiert und Duplikate entfernt werden. Mit Hilfe der Kalorimeter-In\-for\-ma\-tio\-nen wird eine Isolationsvariable berechnet, bevor die acht höchst-gereihten Spuren an das neue Global Trigger (uGT) System geschickt werden. Der uGT entscheidet mit Hilfe komplexer Algorithmen die auf die erhaltenen Objekte angewendet werden, ob ein Auslesevorgang des Detektors initiiert werden soll. Die vorliegende Arbeit präsentiert den uGMT. Es werden zunächst Anforderungen definiert und Herausforderungen während der Entwicklung besprochen, bevor das Design des uGMT präsentiert wird. Weiters wird die hervorragende Leistung des neuen Systems im Kontext von Quarkonia-Analysen gezeigt. Sowohl der Einfluss des verbesserten Duplikatentferungssystems als auch der Korrektur der azimutalen Koordinate werden besprochen und deren positiver Effekt gezeigt. Außerdem wird ein Schema vorgestellt, welches die Reinheit eines dedizierten Trigger-Algorithmus um J/Psi-Mesonen zu selektieren erhöht indem zwei Myonen mit gegensätzlicher Ladung gesucht werden.

Abstract (eng)

The Large Hadron Collider is a large particle accelerator at the CERN research laboratory, designed to provide particle physics experiments with collisions at unprecedented centre-of-mass energies. For its second running period both the number of colliding particles and their collision energy were increased. To cope with these more challenging conditions and maintain the excellent performance seen during the first running period, the Level-1 trigger of the Compact Muon Solenoid experiment --- a sophisticated electronics system designed to filter events in real-time --- was upgraded. This upgrade consisted of the complete replacement of the trigger electronics and a full redesign of the system's architecture. While the calorimeter trigger path now follows a time-multiplexed processing model where the entire trigger data for a collision are received by a single processing board, the muon trigger path was split into regional track finding systems where each newly introduced track finder receives data from all three muon subdetectors for a certain geometric detector slice and reconstructs fully formed muon tracks from this. In contrast, the system in operation during the first data taking period was built around subdetector-specific track finders whose output tracks were merged in the Global Muon Trigger. This restructuring of the muon trigger required a novel system to receive muon objects from the track finding layer, remove any duplicate tracks, and forward the best-reconstructed objects to the global decision layer. The upgraded Global Muon Trigger (uGMT) was designed to satisfy the requirements for such a system. It receives muon track data from all regional track finder processors as well as energy information from the final stage of the calorimeter trigger. These muon tracks are ranked and sorted, while in parallel their azimuthal coordinate is corrected and duplicate muon tracks are removed. An isolation variable using the calorimetric information is computed before the eight highest-ranked muon tracks are sent to the upgraded Global Trigger (uGT). The uGT then determines whether a read-out process shall be initiated by applying complex algorithms on the muon tracks as well as on data received from the calorimeter trigger chain. This thesis presents the design and development of the uGMT, outlining the requirements as well as challenges encountered during development of the upgraded trigger. Furthermore, the excellent performance of the new system is demonstrated in the context of studies on quarkonia: Both the impact of the improved duplicate removal system as well as of the correction of the azimuthal coordinate are evaluated and shown to improve upon the performance demonstrated by the original Level-1 trigger. Additionally, a simple scheme that increases the purity of dedicated trigger algorithms to select J/Psi mesons by requiring the presence of two oppositely charged muons is presented and assessed.

Keywords (eng)

Particle physicsMuonCERNCMSTriggerElectronicsFPGAVHDLInvariant mass

Keywords (deu)

TeilchenphysikMyonCERNCMSTriggerElektronikFPGAVHDLInvariante Masse

Subject (deu)

Moderne Physik: Allgemeines

Subject (deu)

Experimentalphysik

Subject (deu)

Elementarteilchenphysik

Type (deu)

Dissertation