[논문 리뷰] The ATLAS Trigger System for LHC Run 3 and Trigger performance in 2022

G. Aad, Erlend Aakvaag외 2930명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 86인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 3를 위한 ATLAS 트리거 및 데이터 수집 시스템의 업그레이드를 제시하며, 제2차 장기정지기(LS2) 동안 이루어진 주요 하드웨어 및 소프트웨어 개선 사항을 상세히 기술한다. 2022년 프로톤-프로톤 캘리브레이션 기간 동안의 시스템 성능을 보고하며, 1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹ 루미노시티에서 핵심 물리 객체에 대해 95% 이상의 높은 트리거 효율성을 달성했으며, 런 3 및 향후 중수소 충돌 운영을 위한 최적화된 알고리즘을 제공한다.

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).

연구 동기 및 목표

• LHC 제2차 장기정지기(LS2) 동안 런 3를 위한 ATLAS 트리거 및 데이터 수집 시스템의 주요 업그레이드 사항을 상세히 기술하기 위해.
• 1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹ 루미노시티에서 2022년 프로톤-프로톤 캘리브레이션 단계 동안 업그레이드된 트리거 시스템의 성능을 평가하기 위해.
• pp 및 중수소 충돌에서 런 3 물리 목표를 달성하기 위한 기본 트리거 메뉴와 재구성 알고리즘을 제시하기 위해.
• 고배율 조건에서의 고수준트리거(HLT) 소프트웨어의 확장성과 처리 시간을 평가하기 위해.
• 장수명 입자 및 비충돌 배경과 같은 새로운 서명을 탐지하기 위한 트리거 전략을 정의하기 위해.

제안 방법

• 캘로리메터, 뮤온, 토폴로지 트리거를 포함한 새로운 하드웨어를 탑재한 업그레이드된 레벨-1 트리거로, 패턴 인식 성능 향상과 더 빠른 처리 기능을 구현함.
• 전자, 뮤온, 타우, 제트, b-제트, 그리고 미량 운동량에 최적화된 재구성 알고리즘을 탑재한 새로운 고수준트리거(HLT) 소프트웨어를 구현함.
• 성능 캘리브레이션을 위해 몬테카를로 시뮬레이션과 데이터 기반 방법(태그-앤프로브, 부트스트랩)을 사용하여 새로운 트리거 메뉴를 개발하고 검증함.
• 전체 스캔 트래킹, 버텍스 검출, b-제트 및 대규모 반경 제트를 위한 특수 알고리즘을 포함한 HLT 내 고급 트래킹 알고리즘 통합.
• 우주선, 빔할로 배경, 디텍터 캘리브레이션 및 성능 모니터링을 위한 보조 트리거를 구현함.
• 피크 루미노시티에서 트리거 레이트, 효율성, 처리 시간을 벤치마킹하기 위해 실제 2022년 pp 충돌 데이터와 MC 시뮬레이션을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹ 루미노시티에서 2022년 런 3 캘리브레이션 단계 동안 업그레이드된 ATLAS 트리거 시스템은 어떤 성능을 보였는가?
• RQ2 LS2 기간 동안 런 3를 위한 레벨-1 및 고수준트리거 시스템에 어떤 주요 하드웨어 및 소프트웨어 변경 사항이 이루어졌는가?
• RQ3 런 3에서 주요 물리 객체(전자, 뮤온, 타우, 제트, b-제트, Eₜₘᵢₛₛ)의 트리거 효율성과 레이트는 무엇인가?
• RQ4 고배율 조건(60–70개의 상호작용 per 빔 크로스링)에서 HLT 소프트웨어는 어떻게 확장되며, 평균 처리 시간은 얼마인가?
• RQ5 런 3에서 장수명 입자 및 비충돌 배경을 탐지하기 위한 트리거 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 2022년 데이터에서 1.8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹ 루미노시티 조건에서 전자, 뮤온, 타우에 대해 트리거 효율성이 95%를 초과했으며, 재구성 과정에서의 편향은 최소한이었다.
• 레벨-1 캘로리메터 및 뮤온 트리거는 √s = 13.6 TeV 조건에서 증가된 데이터 레이트를 처리하고 객체 해상도를 향상시키기 위해 새로운 하드웨어로 업그레이드되었다.
• 고배율 상호작용(60–70개) 조건에서 복잡한 재구성 작업에 대해 HLT 소프트웨어는 중앙값 처리 시간 약 1.2 ms를 기록했다.
• 런 3에서 pp 충돌을 위한 기본 트리거 메뉴는 b-제트, Eₜₘᵢₛₛ, 향후 서명에 최적화된 선택을 포함하며, 중수소 물리학을 위한 전용 알고리즘이 탑재되어 있다.
• 우주선, 빔할로 배경, 디텍터 노이즈를 위한 보조 트리거는 성공적으로 구현되고 검증되었으며, 실시간 모니터링 및 캘리브레이션을 가능하게 했다.
• 트리거 시스템은 빛의 피크 루미노시티 2.4×10³⁴ cm⁻²s⁻¹를 최대 10시간 동안 유지할 수 있도록 설계되었으며, 런 3 기간(2022–2025) 동안 안정된 성능을 기대할 수 있다.