Характеристики триггера для начального периода работы детектора ATLAS

    Скорости счета триггера до начала эксперимента определяются с помощью моделированных событий. Разработка меню триггера, как правило, требует нескольких этапов оптимизации критериев отбора событий для того, чтобы скорость поступления событий оставалась внутри заданной полосы пропускания. При этом необходимо обеспечивать высокую эффективность отбора событий с исследуемой физикой.
    Первым шагом определения скорости счета триггера является выбор оптимального набора моделированных событий, событий с большими сечениями, определяющими общий фон для многих исследуемых процессов. События, которые должны пройти условия отбора триггера, в этом наборе составляют малую долю, поэтому для определения скорости счета триггера с приемлемой статистической точностью общее количество моделированных событий должно быть велико. На рис. 8.1 приведены сечения для различных процессов при планируемой энергии и светимости LHC 14 ТэВ и 10³⁴ см^-2 с^-1. На нем видно, что для поиска бозона Хиггса и других новых частиц необходимо отсечь несколько порядков скорости счета основного потока событий.
    Для начального этапа эксперимента меню триггера сформировано для светимости 10³¹ см^-2 с^-1 и энергии 14 ТэВ. Использовался полный набор недифракционных взаимодействий (minimum-bias) из семи миллионов событий, соответствующий сечению ~ 70 мб и обеспечивающую статистическую точность оценок ~0,1 Гц. При моделировании больших светимостей предполагается использовать полные наборы событий, обогащенные жесткими взаимодействиями квантовой хромодинамики (КХД), включающие начальный порог для попречных импульсов мюонов, ЕМ кластеров и струй. Только такие события будут проходить фазу реконструкции, что существенно уменьшит требуемые вычислительные ресурсы. В дополнение к КХД физике, для определения скоростей счета должны быть учтены и другие процессы с большими сечениями, например, рождение W и Z-бозонов. Однако, моделированные меню триггера опираются на существующее понимание физики и детектора. В процессе эксперимента потребуется уточнение существующих оценок и разработка новых критериев для выделения все более редких событий.

Рис.8.1. Сечения (левая шкала) и скорости потока соответствующих событий (шкала справа) различных физических процессов рр-взаимодействий при энергии и светимости LHC 14 ТэВ и 1034 см-2 с-1.

    Для расчета меню триггера было проведено полное моделирование триггера (L1, L2 и фильтра событий) с использованием полного набора событий, сгенерированных PYTHIA и прошедших реконструкцию в детекторе с помощью GEANT4.
    Меню триггера представляет собой таблицы, содержащие определения физических объектов на каждом уровне триггера. Эти определения включают пороги и критерии отбора объектов. Принята следующая система обозначений меню триггера: e – электрон, g – фотон, j – струя, fj- струя в передней области, xE – потерянная поперечная энергия Е_т, te - полная скалярная сумма Е_т, je – скалярная сумма энергий Е_т струй, mu – мюоны, tau – τ-лептоны. Типичный примет триггера 2е15i – два изолированных электрона с поперечным импульсом р_т ≥ 15 ГэВ/с, или tau20i_xE30 – изолированный τ-лептон, распавшийся по адронной моде с видимым р_т выше 20 ГэВ и потерянной энергией Е_т выше 30 ГэВ. Префикс перед обозначением указывает для какого уровня триггера предназначено определение. Если объект требует нескольких признаков, используется объединение этих признаков через AND, который обозначается “_”, как это сделано в примере с τ-лептоном, где объединены два признака, с р_т и потерянной энергией. Если нет указания порога, могут использоваться просто символы, например, е + μ для триггера на электрон и мюон.
    Триггер первого уровня L1 имеет обозначения объектов заглавными буквами. Например, ЕМ обозначает кластер электромагнитного калориметра, J – струю, I – изолированность, nJ - количество n струй J. Фактор prescale обозначает уменьшение соответствующего потока событий в указанное число раз. При 1 берется каждое событие, при 10 – каждое десятое. Так уменьшается поток событий с большими сечениями при низких порогах для падающих спектров частиц. В таблице 8.1 приведен пример скоростей счета струй в L1.

Таблица 8.1.

    На рисунке 8.2 приведен спектр энергий регистрируемых лидирующих струй с фактором prescale и без него.

Рис.8.2. Энергетический спектр Ет струй до применения фактора prescale (пунктир) и после его применения при светимости 1031 см-2 с-1.

    Скорости потоков событий (rates) мюонного триггера можно оценить из рисунка 8.3, где показаны также отдельные источники мюонов: распады b и c-кварков, распады на лету π и К-мезонов, распады W-бозонов. Триггер первого уровня L1 имеет высокую эффективность (99%) регистрации мюонов выше порогов в пределах эффективной области детектора.

Рис.8.3. Скорости потоков мюонов в зависимости от величины порога рт при светимости 1031 см-2 с-1 и для различных процессов генерации. Темными квадратами отмечен суммарный спектр.

    На начальном этапе большая часть триггеров высокого уровня предполагает проведение расчетов без отбора событий, в пассивном режиме, или при использовании отдельных критериев. В таблице 8.2 приведены примеры таких триггергных объектов с низкими порогами с ожидаемыми при
10³¹ см^-2 с^-1 скоростями счета.

Таблица 8.2.

    На рисунке 8.4 графически показаны скорости счета на выходе фильтра событий для разных типов триггеров, а также суммарный поток событий (сumulative rates) после нового триггера.

Рис.8.4. Графически показаны скорости счета на выходе фильтра событий для разных типов триггеров (темные полосы), а также суммарный поток событий (сumulative rates, светлые полосы) с последовательным включением каждого триггера HLT.

    Отобранные триггером события формируют потоки выходных данных. Детектор ATLAS использует инклюзивную модель формирования потоков, когда одно событие может быть записано в несколько потоков в зависимости от метки решения триггера. На начальном этапе будет сформировано четыре основных потока данных, обозначаемых как egamma для электронов и фотонов, jetTauЕtmiss, включающий струи, τ-лептоны с адронными распадами и потерянную поперечную энергию, поток мюонов muons и полный поток событий minbias. События в каждом потоке могут иметь несколько меток триггера. События с метками отдельных сложных триггеров могут входить в несколько потоков. Например, для триггера для е + μ события входят в поток egamma и muons, или события с триггером е + Етmis входят в поток egamma и , jetTauЕtmiss.
    Потоки сформированы так, чтобы иметь близкие количества событий в каждом, вклад повторяющихся событий не должен превышать 10% . Реальные данные внесут поправки в формирование потоков, как и переход к более высоким светимостям изменит критерии триггеров. Основные типы объектов триггера, имеющие важное значение для физики коллайдера, рассмотрены в следующих разделах.