[論文レビュー] The ATLAS Trigger System for LHC Run 3 and Trigger performance in 2022

G. Aad, Erlend Aakvaag+2930 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle Detector Development and Performance参考文献 86被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCラン3のためのアップグレードされたATLASトリガおよびデータ収集システムを提示し、第二期長期停止期間（LS2）中に実施された主なハードウェアおよびソフトウェアの強化を詳細に述べている。2022年の陽子-陽子コライダーの試験段階におけるシステムのパフォーマンスを報告し、1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度で主要な素粒子物理学オブジェクトのトリガ効率が95%以上に達した。Run 3および将来の重イオン運用の最適化されたアルゴリズムが実装されている。

ABSTRACT

The ATLAS trigger system is a crucial component of the ATLAS experiment at the LHC.It is responsible for selecting events in line with the ATLAS physics programme. This paper presentsan overview of the changes to the trigger and data acquisition system during the second longshutdown of the LHC,and shows the performance of the trigger system and its components in the proton-proton collisionsduring the 2022 commissioning period as well as its expected performance inproton-proton and heavy-ion collisions for the remainder of the third LHC data-taking period (2022–2025).

研究の動機と目的

• LHCの第二期長期停止期間（LS2）におけるATLASトリガおよびデータ収集システムの主なアップグレードを明示すること。
• 1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度における2022年の陽子-陽子コライダー試験段階でのアップグレード済みトリガシステムのパフォーマンスを評価すること。
• pp衝突および重イオン衝突におけるラン3の物理学的目標を達成するためのベースライントリガメニューと再構築アルゴリズムを提示すること。
• 高積み重ね状態（高積み重ね）下でのHigh-Level Trigger（HLT）ソフトウェアのスケーラビリティおよび処理時間の評価。
• 長寿命粒子や非衝突背景といった新規シグネチャーを検出するためのトリガ戦略の定義。

提案手法

• 新しいハードウェアを備えたアップグレード済みレベル1トリガを、コアラメータ、ミューオン、トポロジカルトリガに適用し、パターン認識の向上と高速処理を実現。
• 電子、ミューオン、タウ、ジェット、bジェット、および欠落運動量の再構築アルゴリズムを最適化した新しいHigh-Level Trigger（HLT）ソフトウェアを実装。
• モンテカルロシミュレーションおよびデータ駆動型手法（タグアンドプローブ、ブートストラップ）を用いて、効率キャリブレーションのための新しいトリガメニューを開発・検証。
• フルスキャントラッキング、バーテックス検出、bジェットおよび大半径ジェットに特化したアルゴリズムを含む、HLTにおける高度なトラッキングアルゴリズムを統合。
• 宇宙線、ビームハロ背景、デバイスのノイズなどの非衝突背景を対象とした補助トリガを導入し、キャリブレーションおよびパフォーマンス監視を可能に。
• ピーク光度におけるトリガレート、効率、処理時間をベンチマークするため、2022年の実際のpp衝突データおよびMCシミュレーションを用いた分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度下で、2022年のラン3試験段階においてアップグレード済みATLASトリガシステムはどのように動作したか？
• RQ2 LS2期におけるラン3のためのレベル1およびHigh-Level Triggerシステムに、どのような主なハードウェアおよびソフトウェアの変更が加えられたか？
• RQ3 ラン3における主要な物理学オブジェクト（電子、ミューオン、タウ、ジェット、bジェット、Eₜₘᵢₛₛ）のトリガ効率とレートは何か？
• RQ4 高積み重ね状態（1束あたり60～70個の相互作用）下でHLTソフトウェアはどのようにスケーリングされ、平均処理時間はどのくらいか？
• RQ5 ラン3における長寿命粒子および非衝突背景を検出するためのトリガ戦略は何か？

主な発見

• 2022年のデータにおいて、1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度下で、電子、ミューオン、タウのトリガ効率が95%以上に達した。再構築にあたってのバイアスは最小限に抑えられた。
• レベル1コアラメータおよびミューオントリガは、データレートの増加に対応し、√s = 13.6 TeVでのオブジェクト分解能を向上させるために、新しいハードウェアにアップグレードされた。
• HLTソフトウェアは、60～70個の積み重ね相互作用下で、複雑な再構築タスクについて1イベントあたり中央値1.2 msの処理時間を示した。
• ラン3におけるpp衝突のベースライントリガメニューには、bジェット、Eₜₘᵢₛₛ、およびフォワードシグネチャーの最適化選択が含まれており、重イオン物理学のための専用アルゴリズムも搭載されている。
• 宇宙線、ビームハロ背景、デバイスノイズのための補助トリガは、正常に実装・検証され、リアルタイムでの監視およびキャリブレーションを可能にした。
• トリガシステムは、1回のフィルに最大10時間にわたり2.4×10³⁴ cm⁻²s⁻¹のピーク光度を維持できるように設計されており、ラン3（2022–2025）を通じて安定したパフォーマンスを示すことが期待される。