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Triggering on electrons and photons with CMS
No full textThroughout the year 2011, the Large Hadron Collider (LHC) has operated with an instantaneous luminosity that has risen continually to around 4 × 1033cm−2s−1. With this prodigious high-energy proton collisions rate, efficient triggering on electrons and photons has become a major challenge for the LHC experiments. The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment implements a sophisticated two-level online selection system that achieves a rejection factor of nearly 106. The first level (L1) is based on coarse information coming from the calorimeters and the muon detectors while the High-Level Trigger (HLT) combines fine-grain information from all sub-detectors. In this intense hadronic environment, the L1 electron/photon trigger provides a powerful tool to select interesting events. It is based upon information from the Electromagnetic Calorimeter (ECAL), a high-resolution detector comprising 75848 lead tungstate (PbWO4) crystals in a “barrel” and two “endcaps”. The performance as well as the optimization of the electron/photon trigger are presented
The CMS Trigger system for the HL-LHC
No full textInternational audienceThe High-Luminosity LHC will open an unprecedented window on the weak-scale nature of the Universe, providing data to perform high-precision measurements of the Standard Model, as well as searches for new physics beyond the Standard Model. Such precision measurements and searches require information-rich datasets with a statistical power that matches the high luminosity provided by the upgrade of the LHC. Efficiently collecting these datasets will be a challenging task, given the harsh environment of up to 200 proton-proton interactions per LHC bunch crossing. For this purpose, CMS is designing an efficient two-level trigger system: the Level 1 Trigger (L1T), implemented in advanced hardware, and the High Level Trigger (HLT), a streamlined version of the CMS reconstruction software running on a computer farm. The L1T will include tracking information and high-granularity calorimeter information for the first time. The current conceptual system design is expected to take full advantage of FPGA and link technologies over the coming years, providing a high-performance, low-latency computing platform for large throughput and sophisticated data correlation across diverse sources. The envisaged L1T system will closely replicate the full offline object reconstruction, to perform more sophisticated and optimized selection. The higher luminosity, event complexity and input rate of 750 kHz present an unprecedented challenge to the HLT, which aims to achieve a similar efficiency and rejection factor as today, despite the higher pileup, and a purer preselection. The introduction of a heterogenous platform combining CPUs and GPUs is described. The expected performance of the upgraded trigger system is presented
CMS Electromagnetic Trigger commissioning and performance towards the start of operation
No full textThe CMS electromagnetic calorimeter (ECAL) is a high-resolution calorimeter made of 75848 lead tungstate (PbWO4) crystals and optimized for the discovery of the Higgs boson in its two photons decay mode. In view of the high raw event rate at the Large Hadron Collider (LHC), the ECAL Trigger will play a major role. This poster will present a review of the strategy and the tests completed to ensure that the ECAL Trigger reaches the required specifications. The results from the commissioning will be presented as well as the first analysis of cosmic ray data used in the assessment of its efficiency
The CMS Level-1 Calorimeter Trigger Upgrade for the Run II of the LHC
No full textThe CMS experiment has implemented a sophisticated two-level online selection system that achieves a rejection factor of nearly 10 5 . The first level (L1) is based on coarse information coming from the calorimeters and the muon detectors while the High-Level Trigger combines fine-grain information from all sub-detectors. During Run II, the LHC will increase its centre-of- mass energy up to 13 TeV and progressively reach an instantaneous luminosity of 2 34 cm..
Electron selection and search for the Higgs boson decaying into tau leptons pairs with the CMS detector at the LHC
No full textCette thèse s'inscrit dans le contexte des premières années d'exploitation du Large Hadron Collider (LHC). Cet appareil monumental a été construit dans le but d'explorer la physique de l'infiniment petit à l'échelle du TeV. Un des objectifs majeurs du LHC est la recherche du boson de Higgs. Sa découverte validerait le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible, au travers duquel les bosons W et Z acquièrent leur masse. L'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) analyse les collisions de protons du LHC. Leur fréquence élevée (20 MHz) permet d'observer des phénomènes rares, comme la production et la désintégration d'un boson de Higgs, mais elle nécessite alors une sélection rapide des collisions intéressantes, par un système de déclenchement. Les ressources informatiques disponibles pour le stockage et l'analyse des données imposent une limite au taux de déclenchement : la bande passante, répartie entre les différents signaux physiques, doit donc être optimisée. Dans un premier temps, j'ai étudié le déclenchement sur les électrons : ils constituent une signature claire dans l'environnement hadronique intense du LHC et permettent à la fois des mesures de haute précision et la recherche de signaux rares. Ils font partie des états finaux étudiés par un grand nombre d'analyses (Higgs, électrofaible, etc.). Dès les premières collisions en 2010, la présence de signaux anormaux dans l'électronique de lecture du calorimètre électromagnétique (ECAL) constituait une source d'augmentation incontrôlée du taux de déclenchement. En effet, leur taux de production augmentait avec l'énergie et l'intensité des collisions : ils étaient susceptibles de saturer la bande passante dès 2011, affectant gravement les performances de physique de CMS. J'ai optimisé l'algorithme d'élimination de ces signaux en conservant une excellente efficacité de déclenchement sur les électrons, pour les prises de données en 2011. D'autre part, l'intensité croissante des collisions au LHC fait perdre leur transparence aux cristaux du ECAL, induisant une inefficacité de déclenchement. La mise en place de corrections hebdomadaires de l'étalonnage du système de déclenchement a permis de compenser cette inefficacité. Dans un second temps, j'ai participé à la recherche du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux leptons tau. Cette analyse est la seule qui puisse actuellement vérifier le couplage du boson de Higgs aux leptons. Le lepton tau se désintégrant soit en lepton plus léger (électron ou muon), soit en hadrons, six états finaux sont possibles. Je me suis concentré sur les états finaux semi-leptoniques (électron/muon et hadrons), où la signification statistique du signal est maximale. Les algorithmes de déclenchement dédiés à cette analyse sélectionnent un lepton (électron ou muon) et un « tau hadronique » d'impulsions transverses élevées. Cependant, cette sélection élimine la moitié du signal, ce qui a motivé la mise en place d'algorithmes sélectionnant des leptons de basse impulsion, incluant une coupure sur l'énergie transverse manquante. Celle-ci limite le taux de déclenchement et sélectionne des évènements contenant des neutrinos, caractéristiques des désintégrations du lepton tau. Les distributions de masse invariante des processus de bruit de fond et de signal permettent de quantifier la compatibilité entre les données et la présence ou l'absence du signal. La combinaison de l'ensemble des états finaux conduit à l'observation d'un excès d'évènements sur un large intervalle de masse. Sa signification statistique vaut 3,2 déviations standard à 125 GeV ; la masse du boson mesurée dans ce canal vaut 122 ± 7 GeV. Cette mesure constitue la toute première évidence d'un couplage entre le boson de Higgs et le lepton tau.This thesis fits into the first operating years of the Large Hadron Collider. This monumental machine was built to explore the infinitesimal structure of matter at the multi-TeV scale. The LHC aimed primarily at searching for the Higgs boson, the discovery of which would confirm the electroweak symmetry breaking model. This mechanism, which provides W and Z bosons with a mass, describes the transition from a unified electroweak interaction to a weak interaction (short range) and an electromagnetic interaction (infinite range). The LHC's proton collisions, operated at a 50 ns period, are analysed by 4 large detectors, including the Compact Muon Solenoid (CMS). This small period allows to observe very rare phenomena, such as the Higgs boson production and decay, but it requires a fast online selection of the interesting collisions: the trigger system. The computing resources available for the data's storage and analysis set a limit to the trigger rate. Therefore the bandwidth, which is split into several physics signals, must be optimised. Firstly, I studied the electron trigger: electrons are a clear signature in the intense hadronic environment within the LHC and allow a high measurement accuracy, as well as a search for rare signals. Besides, they are part of the final states investigated by a large number of analyses (Higgs, electroweak, etc). From the first collisions in 2010, anomalous signals in the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL) were a source of uncontrolled trigger rate increase. Indeed, their production rate increased along with the collisions' energy and intensity: they were likely to saturate the bandwidth as early as 2011, crippling drastically the CMS physics performances. I optimised the anomalous signal rejection algorithm, while conserving an excellent electron triggering efficiency, as regards the data collected in 2011. Moreover, the increasing intensity of the LHC collisions causes a loss of transparency in the ECAL crystals. The setting-up of weekly corrections to the ECAL trigger calibration helped make up for the inefficiency caused by this loss of transparency. Secondly, I contributed to the search for the Higgs boson decaying to 2 tau leptons. So far, this analysis proved to be the only possible method to check the coupling of the Higgs boson to leptons. The tau lepton decays either into lighter leptons (electron or muon), or into hadrons: hence the study of six final states. I focused on the semileptonic final states, in which the expected signal is the most statistically significant. The trigger algorithms dedicated to this analysis select a lepton and a hadronic tau, with high transverse momenta. However, this selection removes half of the signal, which motivated the elaboration of new algorithms selecting low momenta leptons, including a cut on the missing transverse energy. This cut helps controlling the trigger rate and selects events containing neutrinos, which are a distinguishing feature of the tau lepton decay. The invariant mass distributions for all background and signal processes allow to quantify the compatibility between the acquired data and the presence of a signal. The combination of all final states leads to the observation of an excess of events over a large mass range. Its statistical significance is 3,2 standard deviations at 125 GeV ; the boson mass measured in this channel is 122 ± 7 GeV. This measurement is the first evidence for a coupling between the Higgs boson and the tau lepton
Design of the CMS calorimeter trigger upgrade from Phase I to Phase II of the LHC
No full textThe CMS experiment implements a sophisticated two-level triggering system composed of the Level-1, instrumented by custom-design hardware boards, and the software High Level Trigger. In 2017, the LHC delivered proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV with a peak instantaneous luminosity larger than , more than twice the peak luminosity reached during Run I and far larger than the design value. The CMS Level-1 calorimeter trigger was upgraded during the long shutdown 1 between 2013 and 2015, to improve its performance at high luminosity and large number of simultaneous inelastic collisions per crossing (pile-up). All the electronic boards have been replaced, tested and commissioned with data. Smarter, more sophisticated, and innovative algorithms are now the core of the first decision layer of CMS: the upgraded trigger system implements dynamic clustering techniques, pile-up subtraction and isolation requirements for electrons and tau leptons. In addition, the new global trigger is capable of computing complex variables such as those involving the invariant mass of trigger objects. The trigger selections used for a wide variety of physics signals during Run II are presented, ranging from simple single-object selections to more sophisticated algorithms combining different objects and applying analysis-level reconstruction and selection. The design and operation of the Phase I calorimeter trigger will be reviewed. The technological choices made influenced the path towards the Phase II upgrade system necessary for the LHC run at a center-of mass energy of 14 TeV with luminosity of , corresponding to 140-200 pile-up events. The addition of the tracker information at Level-1 and the enhanced calorimeter granularity will be used to maintain the trigger object thresholds at a similar level as the present system
Opérations et optimisations du système de déclenchement calorimétrique de l’expérience CMS au LHC
No full textLa compréhension du monde microscopique se poursuit et nous mène peu à peu vers une description précise des forces fondamentales qui régissent les particules élémentaires. La découverte du premier champ scalaire, le champ de Brout-Englert-Higgs en 2012 au CERN, permet d’expliquer comment la matière s’est organisée dès les premiers instants de l’Univers. La caractérisation du champ de Brout-Englert-Higgs est cruciale puisqu’elle conditionne l’existence d’une physique au-delà du Modèle Standard. Le LHC et ses expériences poursuivent ces recherches dans le but de caractériser précisément ces forces fondamentales. Le système de déclenchement d’une expérience de physique des particules est un outil de toute première importance puisqu’il permet d’accéder aux données pertinentes produites par les détecteurs pour mener à bien ce type de recherche. Bien que hautement technique, les conditions de fonctionnement d’un tel système sont étroitement liées au programme de physique qu’une expérience souhaite être en mesure d’accomplir. Ces performances dépendent aussi de l’environnement dans lequel ce système devra fonctionner comme par exemple un collisionneur de particules de haute intensité tel que le LHC. Les systèmes d’acquisition ont été en mesure d’évoluer avec les technologies disponibles afin d’être exploitables auprès de détecteurs de particules toujours plus complexes. Cette complexité correspond à une résolution grandissante dans le but de distinguer chaque particule dans une collision. Cette granularité fine d’un détecteur se traduit par un nombre de canaux de lecture gigantesque et donc un volume de données considérable à traiter. Il est question dans ce manuscrit d’aborder l’ensemble des aspects de cette problématique depuis la mise en œuvre du système à la mesure de ses performances et limitations qui ont conduit à la conception d’un système amélioré pour le détecteur CMS. Ce système aura permis de collecter les données nécessaires à la découverte du boson de Higgs ainsi qu’à l’observation de ses modes de production et de désintégration rares. Aujourd’hui, un tel système électronique doit permettre également aux physiciens d’explorer des territoires inconnus
System Design and Prototyping for the CMS Level-1 Trigger at the High-Luminosity LHC
No full textInternational audienceFor the High-Luminosity Large Hadron Collider era, the trigger and data acquisition system of the Compact Muon Solenoid experiment will be entirely replaced. Novel design choices have been explored, including ATCA prototyping platforms with SoC controllers and newly available interconnect technologies with serial optical links with data rates up to 28 Gb/s. Trigger data analysis will be performed through sophisticated algorithms, including widespread use of Machine Learning, in large FPGAs, such as the Xilinx Ultrascale family. The system will process over 60 Tb/s of detector data with an event rate of 750 kHz. The system design and prototyping are described and examples of trigger algorithms reviewed
Opérations et optimisations du système de déclenchement calorimétrique de l’expérience CMS au LHC
No full textLa compréhension du monde microscopique se poursuit et nous mène peu à peu vers une description précise des forces fondamentales qui régissent les particules élémentaires. La découverte du premier champ scalaire, le champ de Brout-Englert-Higgs en 2012 au CERN, permet d’expliquer comment la matière s’est organisée dès les premiers instants de l’Univers. La caractérisation du champ de Brout-Englert-Higgs est cruciale puisqu’elle conditionne l’existence d’une physique au-delà du Modèle Standard. Le LHC et ses expériences poursuivent ces recherches dans le but de caractériser précisément ces forces fondamentales. Le système de déclenchement d’une expérience de physique des particules est un outil de toute première importance puisqu’il permet d’accéder aux données pertinentes produites par les détecteurs pour mener à bien ce type de recherche. Bien que hautement technique, les conditions de fonctionnement d’un tel système sont étroitement liées au programme de physique qu’une expérience souhaite être en mesure d’accomplir. Ces performances dépendent aussi de l’environnement dans lequel ce système devra fonctionner comme par exemple un collisionneur de particules de haute intensité tel que le LHC. Les systèmes d’acquisition ont été en mesure d’évoluer avec les technologies disponibles afin d’être exploitables auprès de détecteurs de particules toujours plus complexes. Cette complexité correspond à une résolution grandissante dans le but de distinguer chaque particule dans une collision. Cette granularité fine d’un détecteur se traduit par un nombre de canaux de lecture gigantesque et donc un volume de données considérable à traiter. Il est question dans ce manuscrit d’aborder l’ensemble des aspects de cette problématique depuis la mise en œuvre du système à la mesure de ses performances et limitations qui ont conduit à la conception d’un système amélioré pour le détecteur CMS. Ce système aura permis de collecter les données nécessaires à la découverte du boson de Higgs ainsi qu’à l’observation de ses modes de production et de désintégration rares. Aujourd’hui, un tel système électronique doit permettre également aux physiciens d’explorer des territoires inconnus
Opérations et optimisations du système de déclenchement calorimétrique de l’expérience CMS au LHC
No full textLa compréhension du monde microscopique se poursuit et nous mène peu à peu vers une description précise des forces fondamentales qui régissent les particules élémentaires. La découverte du premier champ scalaire, le champ de Brout-Englert-Higgs en 2012 au CERN, permet d’expliquer comment la matière s’est organisée dès les premiers instants de l’Univers. La caractérisation du champ de Brout-Englert-Higgs est cruciale puisqu’elle conditionne l’existence d’une physique au-delà du Modèle Standard. Le LHC et ses expériences poursuivent ces recherches dans le but de caractériser précisément ces forces fondamentales. Le système de déclenchement d’une expérience de physique des particules est un outil de toute première importance puisqu’il permet d’accéder aux données pertinentes produites par les détecteurs pour mener à bien ce type de recherche. Bien que hautement technique, les conditions de fonctionnement d’un tel système sont étroitement liées au programme de physique qu’une expérience souhaite être en mesure d’accomplir. Ces performances dépendent aussi de l’environnement dans lequel ce système devra fonctionner comme par exemple un collisionneur de particules de haute intensité tel que le LHC. Les systèmes d’acquisition ont été en mesure d’évoluer avec les technologies disponibles afin d’être exploitables auprès de détecteurs de particules toujours plus complexes. Cette complexité correspond à une résolution grandissante dans le but de distinguer chaque particule dans une collision. Cette granularité fine d’un détecteur se traduit par un nombre de canaux de lecture gigantesque et donc un volume de données considérable à traiter. Il est question dans ce manuscrit d’aborder l’ensemble des aspects de cette problématique depuis la mise en œuvre du système à la mesure de ses performances et limitations qui ont conduit à la conception d’un système amélioré pour le détecteur CMS. Ce système aura permis de collecter les données nécessaires à la découverte du boson de Higgs ainsi qu’à l’observation de ses modes de production et de désintégration rares. Aujourd’hui, un tel système électronique doit permettre également aux physiciens d’explorer des territoires inconnus
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