Tomasz Bołd. System filtracji przypadków eksperymentu ATLAS. Czyli o szukaniu igły w stogu siana.

Transkrypt

1 omasz Bołd System filtracji przypadków eksperymentu ALAS. Czyli o szukaniu igły w stogu siana.

2 Plan Fizyka cząstek przed erą LHC Eksperymenty, unikalne wyzwania na zderzaczu hadronów i wyniki Filtracja w czasie rzeczywistym Wybrane przykłady Przyszłość systemu filtracji

3 Model standardowy (SM) przed LHC Kwarki i leptony Model oddziaływań silne poprzez wymianę gluonów elektrosłabe z γ, W i Z jako nośniki oddziaływań W SM masy nadawane przez mechanizm Brouta-Englerta- Higgsa Brak eksperymentalnego potwierdzenia 3

4 Produkcja i rozpad bozonu Higgsa arxiv:7.599 Dominujące kanały produkcji: gg! H ~9pb* q q! (W Z)H ~4pb* Optymalny zderzacz hadronów i uniwersalne urządzenia detekcyjne Różnorodne kanały rozpadu i produkcji w zależności od masy *SM dla masy MH=5GeV, ECM =4 ev 4

5 Przewidywania teoretyczne i ograniczenia eksperymentalne arxiv:7.975 Dopasowanie wynikające z pomiarów elektrosłabych Global EW Fit Złożone wykluczenia: lipca 5

6 Odkrycie bozonu H Phys. Lett. B 76 () -9 Niezależny, zgodny wynik z pomiarem eksperymentu CMS. Kolejne, coraz bardziej precyzyjne pomiary potwierdzają naturę H. Spin - Phys. Lett. B 76 (3), pp. -44 Sprzężenia - Phys. Lett. B 76 (3), pp

7 Program fizyczny p-p eksperymentu ALAS Bogaty program pomiarów poza bozonem H (~ ) precyzyjne pomiary Modelu Standardowego (~5 ) fizyka kwarku top (~ ) fizyka hadronów z kwarkiem b/s (~3 ) poszukiwanie nowych cząstek super-symetrycznych (~ ) i egzotycznych (~ ) 7

8

9 Porównanie przekrojów czynnych 9 proton - (anti)proton cross sections 9 8 σ tot evatron LHC HE LHC 7 6 Przypadek produkcji Higgsa (i innych rzadkich sygnatur) należy wydobyć ze strumienia 9 zderzeń* σ (nb) σ b σ jet (E jet > s/) σ W σ Z σ jet (E jet > GeV) σ t events / sec for L = 33 cm - s σ ggh (M H =5 GeV) σ WH (M H =5 GeV) *o jest jak wybieranie jednego ziarna ryżu ze 5 ton 9-7 WJS. s (ev) -7

10 Świetlności na LHC Z czasem, sprawność obsługi i szereg ulepszeń pozwalają na lepsze ogniskowanie wiązek na LHC > świetlność (chwilowa i całkowita) stopniowo rośnie LHC Run LHC Run Wartość nominalna

11 Wysoka świetlność - nakładanie zderzeń p-p (pile-up) Protony w LHC ułożone w pęczki > podczas zderzenia pęczków dochodzi do zderzeń wielokrotnych. Jedno z nich może być interesujące. ~4M przecięć / sekundę Cztery punkty interakcji podczas jednego przecięcia pęczków. Ilość interakcji obecnie.

12 Program ciężkojonowy: Pb-Pb i p-pb Zupełnie różne warunki eksperymentalne Niska świetlność, zmienna centralność zderzeń > zmienna krotność i zajętość det. Pomiary różne od programu p-p Właściwości plazmy kwarkowogluonowej (QGP) korelacje, interakcje z obiektami kolorowymi, elektrosłabymi Badanie modyfikacji funkcji struktury protonu związanego w jądrze Pomiary oddziaływań peryferycznych (np. ɣɣ ɣɣ) hit ~3

13 Budowa detektora i strumień danych Detektory ALAS posiadają ~M kanałów odczytu, odczytywane co 5ns, zakładając binarny odczyt > 4 5 b / s, technologicznie nieosiągalne! 3

14 Proces rejestracji produktów zderzenia t = zderzenie - -7 s produkty t[ns] t=t +.ns sygnał w pierwszej warstwie detektora śladów t=t +3.5ns cząstka opuszcza detektor śladów R t=t +5ns cząstka w kalorymetrze elektromagnetycznym t=t +4ns - miony opuszczają kalorymetr hadronowy t=t +3ns - miony opuszczają detektor Kolejne zderzenie 5 uproszczone informacje przesyłane do pod-systemów wyzwalania jednocześnie przesyłane do buforów odczytu na detektorach w oczekiwaniu na decyzję o rejestracji t=t +.5μs - decyzja o akceptacji - dane kopiowane do głębszych buforów systemu odczytu Kolejnych 4 *Czasy przy założeniu v=c, i emisji w η=.

15 System filtracji online Pomiar obiektów σ pb > efektywny system filtrowania z redukcją ~ 5-7 Część systemu (L) musi pracować z częstością LHC (4 MHz) Dedykowana elektronika Precyzyjna filtracja (HL) odbywa się na farmie komputerów Dedykowane/szybkie algorytmy Elementarnym sposobem ograniczenie ilości danych jest zaniedbanie kanałów bez sygnału (zero-suppression) - czynnik 5-5

16 System filtracji online -3 - dwa poziomy HL Dane liczbowe typowe dla 6 6

17 Część sprzętowa - L Zgrubne sygnały detektorowe dostarczane do układów implementujących proste algorytmy Koincydencje geometryczne miony Wyszukiwanie maksimów metodą przesuwającego się okna depozyty kalorymetryczne Przepuszczane są przypadki spełniające jeden z 56(5) kryteriów logicznych Dodatkowa informacja - charakterystyka rejonów aktywności (RoI) Częstość redukowana do ~khz Decyzja wypracowana w.5 µs 7

18 Filtr wysokiego poziomu - HL W rejonach zidentyfikowanych przez L wykonywana jest rekonstrukcja obiektów fizycznych Znaczne przyśpieszenie obliczeń w porównaniu do pełnej rekonstrukcji (złożony proces) Optymalizacja procesu odrzucania (99% przypadków jest odrzucanych) Wykorzystuje się typowo ok -5% informacji z detektora RoI Mniej kosztowny system odczytu ańsza sieć do transmisji danych Mniejsza farma HL Oprogramowanie w c++ Kilkaset algorytmów Częstość redukowana do ~khz Decyzja wypracowana w 3 ms* * parametry z Run : 5-6 8

19 Proces filtracji HL w pigułce przykład elektronu. Rekonstrukcja klastra parametry kaskady elektromagnetycznej. Sprawdzenie depozytu i kształtu kaskady 3. Rekonstrukcja śladów w ID ślady 4. Kombinacja śladów z kaskadą elektrony 5. Weryfikacja hipotezy elektronu Następnie kroki -5 powtórzone przez precyzyjne algorytmy. Calo FEX Calo Hypo Accept racking FEX Electron FEX Electron Hypo Accept Reject Reject FEX - Feature Extraction algorithm Hypo - Hypothesis verification algorithm 9

20 Sterowanie HL Algorytm nadrzędny Dekodowanie informacji L Sterowanie rekonstrukcji w rejonach zainteresowań w optymalny sposób Podsumowanie decyzji Stosuje zaawansowane techniki programistyczne dla maksymalnej optymalizacji procesu grafowe struktury danych abstrakcje procesu decyzyjnego eliminacja powtórzeń odporność na błędy danych Rekonstrukcja HL ok - razy szybsza niż offline. Wizualizacje struktury danych (graf skierowany - poli-drzewo) w procesie podejmowania decyzji: różowe trójkąty - hipotezy odrzucone zielone trójkąty - hipotezy potwierdzone events 4 3 ALAS rigger Operations rigger Run Offline L execution time Caching disabled <time> = 6 ms Caching enabled <time> = 38 ms 5 5 Czas przetwarzania przy zastosowaniu jednej z technik optymalizacyjnych time [ms]

21 Idea stopniowej selekcji Ilość przypadków (częstość) Zmarnowane zasoby Selekcja idealna Zgrubna selekcja (L) Precyzyjna selekcja (HL) Użyteczne dane Parametr (np. p) Niewydajna selekcja

22 Parametry systemu filtracji Niech a - oznacza akceptację przypadku, - wystąpienie sygnału P(a) = P(a )P() + P(a ~)P(~) efektywność małe Efektywność - ε ~ czystość Czystość - P(a ~) << duże Selekcja w systemie wyzwalania bazuje na uproszczonych parametrach ε t [a.u.] t r [a.u.].8 Słaba korelacja r t [a.u.] t ε r [a.u.].8 Dobra korelacja r Uwaga: P(~) wielokrotnie większe (zob. przekroje czynne) W praktyce: jak największa efektywność i akceptowalna częstość całkowita r [a.u.] r r [a.u.] r

23 Zakres pracy HL Weryfikuje dla każdego przypadku ~ hipotez sygnału fotony, elektrony, miony, leptony tau, inkluzywne dżety hadronowe, oznaczone dżety z hadronizacji kwarku b, neutrina i kombinacje powyższych w programie ciężko-jonowym dodatkowo: kategorie przypadków o wysokich krotnościach czy ultraperyferycznych 3

24 Pierwsze włączenie HL w Maksymalna częstość zapisu Moment włączenia pierwszego algorytmu HL 4

25 Filtr elektronowy Przypadki z rozpadem W/Z Wielostopniowa rekonstrukcja w RoI RoI in the calorimeter RoI in the ID luminous region beam spot B Klaster EM, dopasowany ślad ~ zmiennych - - ALAS Preliminary Simulation Isolated electrons Hadrons Non-isolated electrons Background electrons separujących od tła hadronowego E ratio 5

26 Filtr elektronowy c.d. Efficiency.8 Efficiency ALAS e5_medium with W eν + - e5_medium with Z e e ALAS e5_medium with W eν + - e5_medium with Z e e. e_loose with W eν - e_loose with Z e + e Pb-Pb - średnie depozyty działają jak pile-up > zmodyfikowane kształty kaskad, specjalne algorytmy korygujące aby utrzymać wydajność. rigger efficiency Electron E [GeV] Pb-Pb - Z e + e &P 357 µb - min-bias.4 µb Pb+Pb η <.5 offline p online p FCal Σ E [ev] e_loose with W eν - e_loose with Z e + e s NN = 5. ev ele,loose ele,loose ALAS Preliminary > GeV > 5 GeV Electron η Przy wysokiej L znacznie podniesiony próg: 5 > 4 GeV. Dodatkowa selekcja redukująca tło > gorsza efektywność. 6 rigger efficiency ALAS Preliminary Data 5, 5 p-p s=3 ev, L dt = 5.7 pb Data, HL_e4_lhmedium_iloose_LEM8VH Z ee MC, HL_e4_lhmedium_iloose_LEM8VH Data, HL_e4_medium_iloose_LEM8VH Z ee MC, HL_e4_medium_iloose_LEM8VH E - [GeV]

27 γγ - złoty kanał rozpadu H γ - SUSY Czysty proces kalibracyjny QCD: q+g q+γ W Pb-Pb, sonda nieczuła na QGP rekonstrukcja i Filtr fotonowy Efficiency ALAS Preliminary Data 5, s = 3 ev, L dt = 79 µ b identyfikacja podobnie jak dla elektronów - nie wykorzystuje się informacji o brakującym śladzie HL_g5_loose HL_g35_loose < η <.37,.5< η <.37 E [GeV] Efficiency Porównanie wydajności algorytmów dla p-p i Pb-Pb w danych Pb-Pb 7 rigger efficiency ALAS Preliminary Data 5, s = 3 ev, L dt = 79 µ b ALAS Preliminary Pb+Pb, s NN = 5. ev, µb with UE subtraction without UE subtraction 5 p-p 3 4 FCal ΣE - < η <.37,.5< η <.37 - γ loose photon, η <.37 γ offline p γ trigger p HL_g_loose HL_g4_loose E > 5 GeV > GeV [GeV] 5 Pb-Pb [ev]

28 Filtr mionowy RoI in the MS Rozpady W/Z, (pośrednio τ), b-jet, J/Ψ, ϒ, fizyka B RoI in the ID track B rekonstrukcja śladu w systemie mionowym luminous region beam spot B ekstrapolacja do detektora centralnego rozdzielczość pędu dla niskich i wysokich pędów, kombinacja estymacji z obu systemów ] ) [GeV off /p tr σ(/p ALAS L Combined EF MS only EF Combined Muon p [GeV]

29 Filtr mionowy cd Inkluzywne filtry do p >5, GeV Sprzętowy filtr ma ograniczoną ~8% wydajność w części centralnej (ograniczenie konstrukcyjne) > μμ mają ograniczoną wydajność (6%) Drugi muon znajdowany poprzez rekonstrukcję wszystkich śladów (full-scan) w HL Filtr niezależny od efektu pile-up Rate [Hz] ALAS rigger Operations Data, mu4i s= 8 ev mu36 mu4_sa_barrel mu3 mu8_mu8_fs 3mu Inst. Lumi. [ cm - s - ] L_MU5 efficiency Ratio ALAS Preliminary - s=3 ev, L dt = 54.8 pb Z µµ,.3 < η <.9 L_MU5 w/o FI coincidence L_MU5 w/ FI coincidence Muon p [GeV/c] Muon p [GeV] dodana koincydencja redukująca tło Efficiency Entries / 5 MeV Efficiency Data / MC ω/ρ ALAS Preliminary Data η <.5 µ ALAS Preliminary φ s = 7 ev J/ψ ψ(s) Υ(S) - L dt ~.3 fb ALAS s = 7 ev L_MU (-station coincidence) L_MU (3-station coincidence) Υ(S) Υ(3S) s = 8 ev, Z µ µ, mu4i OR mu36, η <.5 Data MC rigger p EF_mu4_DiMu EF_mu4_Jpsimumu EF_mu4_Bmumu EF_mu4_Upsimumu m µµ [GeV] EF_mu4mu6_Jpsimumu EF_mu4mu6_Bmumu EF_mu4mu6_Upsimumu EF_mu Z [GeV] p-p - L dt =.3 fb Muon 4 p [GeV] Muon p [GeV]

30 Filtr na hadrony τ Rozpady W/Z, H-> ττ, BSM 65% rozpadów τ na piony (pozostałe z e i μ) sygnatura w detektorze - skolimowany klaster z (-prong) lub 3 śladami (3-prong) q,g Arbitrary units ALAS Simulation Z ττ MC Di-jet MC One prong Arbitrary units τ - - ALAS Simulation Z ττ MC Di-jet MC Multi prong rekonstrukcja i identyfikacja klastra EM+HAD na podstawie kształtu kaskady rack multiplicity rack multiplicity rekonstrukcja śladów w relatywnie dużym obszarze - optymalizacja min. p, rekonstrukcja dwustopniowa ze względu na duże podobieństwo dżetu - τ z dżetem -qg, selekcja wykonywana za pomocą technik analizy wielowymiarowej (np. BD) Background rejection ALAS Simulation multi-prong LLH BD medium target eff. Signal efficiency EF output rate [Hz] colliding bunches ALAS rigger Operations Data EF_tau9_medium_tau_medium EF_tau9_medium_xe35_3LJ EF_tau_medium_e5vh_medium EF_tau_medium_mu5 EF_tau5_medium Instantaneous luminosity [ cm - s - ] Sygnatura nie odporna na efekt pile-up

31 Filtr dżetów QCD Dane dla studiów QCD Filtr inkluzywny łatwy w implementacji Efficiency [%] ALAS Preliminary Data - L_J, J5, J3, J5, J75 s=7ev η <.8 jet Herwig Pythia Efficiency [%] ALAS Preliminary Data - L_j5, j35, j5, j7, j95 s=7ev η <.8 jet Herwig Pythia Bardzo wysoki próg 4 GeV w Offline jet E [GeV] Offline jet E [GeV] niższe E dżetu+inne sygnatury Bardziej złożone sygnatury: wiele dżetów, L - niewydajne z powodu ograniczonej granulacji > można to naprawić w HL Dla Pb-Pb energia poprawiana podobnie jak dla fotonów Od 5 dla dżetów wykonuje się analizę bez pełnych przypadków Efficiency..8.6 ALAS Preliminary Pb+Pb s NN =.76 ev GeV E threshold anti-k R=..4 Centrality -% -%. -4% 4-6% 6-% Offline Jet E [GeV] 3 Efficiency Number of Jets / [GeV] ALAS preliminary Data 6 offline jets anti-k R=.4 η <.8 jet L 6j LFS 6j 5 ALAS Preliminary - s = 3 ev, 6.5 pb 5 Data: Single Run 3 4 th Offline 6 jet E Data Scouting jets Leading jet p [GeV] HL jets selected by any single jet trigger 3 [GeV]

32 Filtr dżetów z kwarku b Jet axis Entries 4 ALAS Preliminary s=7ev b-jet c-jet light jet Data Rozpady t, HH->4b, 3 Po rekonstrukcji klastra złożony proces oznaczania zapachu PV IP SV ślad będący mionem dla celów kalibracyjnych w pomiarach na danych Pb-Pb ślady pochodzące z wtórnego wierzchołka w przeciwieństwie do rekonstrukcji offline dokładna identyfikacja wierzchołka jest wyzwaniem obliczeniowym i logistycznym Duże podobieństwo z tłem -> techniki MVA Entries Offline jet p [GeV] All Det RoI jet reco jet hypo 3 ALAS Preliminary s=7ev mu4 and j mu4 and L_J mu4 and L_J mu4 and L_J3 mu4 and L_J5 mu4 and L_J75 mu4 and L_J35 split to RoI E cut jet35 tracking +vertexing in RoI 3 Light jet rejection superroi tracking + vertexing b tag Signed transverse IP significance ALAS Preliminary - simulation tt s = 3 ev Jet p > 55 GeV, η <.5 MVc (offline algorithms) IP3D+SV (online algorithms) operating points (IP3D+SV) b-jet efficiency [%]

33 Filtr neutrinowy Procesy EW, nowa fizyka np. WIMP Obserwabla: brakujący pęd transwersalny -> w systemie wyzwalania brakująca energia [GeV] miss Efficiency L E ALAS µ = p-p coll/bc Offline E miss [GeV] Events / (3 GeV) [GeV] miss Efficiency EF E ALAS µ = p-p coll/bc Offline E miss [GeV] Events / (3 GeV) Bardzo niepożądana wrażliwość na efekt pile-up Bezustanne prace and usprawnieniem Rate [Hz].6.4. ALAS W µ ν candidates ALAS L_XE5 Offline E W µ ν from MC miss [GeV, EM scale].6.4. ALAS W µ ν candidates Offline E W µ ν from MC miss [GeV, EM scale] W przyszłości użyte będą ślady Luminosity [ cm - s - ] 33

34 Przebudowa systemu Po roku 3 LHC > HL LHC wyzwalania ECM L częstość, wzmocniony efekt nakładania Detektor ALAS częściowo przebudowany w tym system wyzwalania L:.4 MHz (z. MHz obecnie), HL: khz (z khz) Bez przebudowy spada akceptancja dla wielu kanałów: spada zdolność rozważana opcja L: MHz pomiarowa eksperymentu Farma HL nie może być powiększona (ograniczenie dostępnej mocy elektrycznej) Wymagane będą jeszcze szybsze algorytmy (kombinatoryka), finalna selektywność jak po użyciu algorytmów offline rwają prace nad przebudową sterowania HL (do ), dalsze usprawnienia do 7 -> projekt pochłonie ~5 FE echniki MVA i głębokiego uczenia (Deep Learning) Obliczenia wspomagane akceleratorami sprzętowymi (karty graficzne GPU, FPGA, systemy pamięci adresowanej zawartością - CAM) Wielowątkowość, lepsze wykorzystanie nowoczesnych architektur procesorów -3 lutego 7 - mini. konferencja na naszym wydziale 34

35 Podsumowanie Eksperyment fiz. wysokiej energii nie istnieje bez systemu wyzwalania. o tu zaczyna się fizyka! W ALASie system złożony z części sprzętowej i programowej System sprawdzi(ł) się podczas zbierania danych -9 Po modernizacji LHC wyższa świetlność i energia. Jeszcze trudniejsze wyzwania dla systemu wyzwalaniabe! Przebudowa systemu HL w trakcie planowania