Integrated studies of the ATLAS Detector calibration and alignement processes and their impact in the scientific discovery potential

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) is a two-ring-superconducting-hadron accelerator and collider installed in the 27 km tunnel constructed by the Centre Europ eenne pour la Recherche Nucl eaire (CERN) for the Large Electron Positron collider (LEP) machine [1]. The A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS) experiment uses a complex trigger strategy to be able to reduce the Event Filter rate output, down to a level that allows the storage and processing of triggered data. These concepts are described in the ATLAS Computing Model which embraces the Grid paradigm. The output coming from the Event Filter consists of four main streams: physical stream, express stream, calibration stream, and diagnostic stream. The calibration stream is transferred to the Tier-0 facilities that will provide the prompt reconstruction of this stream with a latency of 8 hours, producing calibration constants of su cient quality to allow a rst-pass processing. The Inner Detector (ID) community developed and tested an independent alignment stream, which selects tracks at the Level-2 (L2) after the reconstruction. The stream is composed of raw data in byte-stream format, contained in ReadOut Bu ers (ROBs) with hit information of the selected tracks, and contains only information of the relevant parts of the detector. It will be used to derive and update a set of calibration and alignment constants. The Inner Detector alignment contents will be promptly computed using a dedicated byte stream whose algorithms were developed and are presented within this study. Processing is done using specialized algorithms running in the Athena framework and the alignment constants will be stored and distributed using the COOL conditions database infrastructure. This work is addressing in particular the alignment requirements, the needs for track and hit selection, and the performance issues. ATLAS, Inner Detector, Detector Alignment, Combined Test Beam, Final Dress Rehearsal

O LHC e um acelerador e colisionador de prot~oes instalado no t unel de 27 km construído pelo CERN para o LEP [1]. O detector ATLAS e um dos quatro principais detectores do LHC e foi constru do para estudar colisões p-p. O Detector Interno (DI) e um sub-detector de ATLAS composto por três sub-detectores, independentes mas complementares, concebidos para efectuar medições de alta precisão dos parâmetros cinem aticos de part culas carregadas na região j j < 2; 5 [2]. Um conhecimento preciso do alinhamento do DI e vital para alcançar o desempenho exigido na reconstrução de traços. O alinhamento inicial dos sub-detectores e determinado através de exames mecânicos e opticos da geometria após a sua instalação. O processo de alinhamento deve determinar com precisão as posi ções reais dos módulos de silício dos sub-detectores Pixel e SCT, bem como das palhetas (ou grupos de palhetas) dos módulos do TRT. As posições r- dos módulos devem ser conhecidas com uma precisão de 7 m cron para o Pixel e 12 m cron para SCT para evitar uma degradação da resolução dos parâmetros dos traços superior em 20% acima da resolução intrínseca de partículas de alto momento transverso (pT ) [2]. Para obter uma medida da massa do bosão W com uma precisão de 25MeV e necessário conhecer as posições dos módulos ao nível do m cron. Todas as abordagens de alinhamento baseiam-se na minimização dos resíduos de impactos associados a traços de alto momento, e foram aplicados a dados do Teste de um sector completo de ATLAS e designado por CTB, e a dados de raios cósmicos e comparados com simulações de Monte Carlo de um DI desalinhado. Como parte do presente trabalho a con - guração do CTB representou um quadro ideal para testar o software do DI. O CTB foi particularmente util para testar a reconstrução de traços e o software de alinhamento. As constantes de alinhamento resultantes foram usadas para medir os momentos das partículas incidentes, electrões e piões, comparando-os com os seus momentos nominais, permitindo desta forma avaliar os diferentes procedimentos/algoritmos de alinhamento. As distribuições de resíduos e os parâmetros dos traços reconstruídos foram estudados para electrões e piões nas modalidades com, e sem, campo magnético. Este esforço levou a uma melhor descrição do detector, e também a primeira série de informações detalhadas sobre procedimentos de calibração e alinhamento, essenciais para a compreensão inicial do desempenho do detector e para a extracção dos primeiros resultados físicos. A colaboração ATLAS desenhou um sistema de seleção electrónica de eventos online por hardware e software com três níveis, denominados Nível 1 (N1), N vel 2 (N2) e Filtro de Eventos, os quais, aplicados em sequência, seleccionam em tempo real os eventos considerados mais relevantes. Cada nível de selecção re na as decisões do nível anterior e, se necessário, permite aplicar critérios de selecção adicionais. O primeiro nível utiliza uma quantidade limitada de informações do detector para tomar uma decisão em menos de 2,5 s, reduzindo a taxa de eventos para cerca de 75 kHz. Os dois níveis mais elevados têm acesso a mais informação do detector e podem atingir uma taxa nal de O(200) Hz. A função do N2 e reduzir a taxa de eventos do N1, de forma a que esta possa ser acomodada pelo Construtor de Eventos. Isto e conseguido atrav es da funcionalidade combinada do Construtor de Regi~oes de Interesse, Supervisor do N2 e Unidade de Processamento do N2. O sistema e projectado para fornecer um factor de rejei c~ao de eventos de cerca de 30, usando apenas dados localizados nas Regiões de Interesse (RI), ou seja, 1-2% dos dados de um evento. Cada evento que foi seleccionado pelo N2 e atribuído a uma Interface de Rede de Computação Dedicada onde ser a reconstru do para depois passar ao nível seguinte, o Filtro de Eventos. Se em qualquer etapa, atendendo aos crit erios de selecção, nenhuma assinatura viável permanecer, o evento e rejeitado. Após reconstrução do evento, o Filtro de Eventos tem três tarefas principais: reduzir a taxa de eventos aceite pela Selec c~ao do N2; monitorizar o desempenho global do detector e a qualidade f sica dos dados; e executar a calibraçao global do detector bem como procedimentos de alinhamento iterativos. Os eventos seleccionados s~ao posteriormente enviados para a Sa da da Rede de Computação Dedicada, que são os elementos nais do sistema. Estes escrevem dados e servem como sistemas duci arios e/ou porta de entrada para a unidade de armazenamento, sendo eles que efectivamente realizam a separação dos dados em entidades l ogicas ( uxos de dados). Os cheiros com eventos seleccionados são posteriormente transferidos para as instala c~oes de armazenamento do CERN. O uxo de calibração e subdividido de acordo com o n umero de subdetectores de ATLAS, e e necessário para fornecer a quantidade m nima de informação requerida para ns de calibração e alinhamento a uma taxa superior a que a uxo principal poderia fornecer. O uxo de alinhamento ser a transferida para as instalações Tier-0 onde ser a imediatamente reconstruído com uma latência admiss vel de 8 horas, por forma a produzir constantes de calibração com qualidade su ciente para permitir um primeiro processamento dos dados do uxo principal/física. Um fluxo de dados de alinhamento independente foi desenvolvido e testado, sendo um dos objectivos do presente estudo, o qual selecciona traços no N2 ap os a reconstrução. Este fluxo cont em apenas a informação das partes relevantes do detector, em especial as informações relativas ao impacto dos traços seleccionados. Isto leva a um uso signi cativamente melhorado da largura de banda e da capacidade de armazenamento. O processamento e realizado executando algoritmos especializados na infraestrutura de software ATHENA, desenvolvidos no âmbito do presente estudo, e as constantes de alinhamento serão armazenadas e distribuídas usando a infraestrutura de base de dados de condições COOL. A função principal do fluxo de alinhamento do DI e colectar traços do tipo adequado e em quantidades que permitam o cálculo e actualização de um conjunto de constantes de calibração e alinhamento em períodos de 24 horas entre ciclos de preenchimentos de feixe do LHC, permitindo um processamento util do uxo principal com uma lat^encia m nima. O uxo e processado para acumular os res duos e outras quantidades que podem ser utilizadas para produzir histogramas. Para cumprir o programa de f sica de ATLAS os m odulos de sil cio (Pixel e SCT) devem ser alinhados com uma precis~ao de O(10) m e o TRT com O(30) m. As resolu c~oes intr nsecas dos m odulos s~ao: 10 m (r- ) e 115 micr ometros (r-z) para o detector de pixeis; 17 m (r- ) e 580 m (r-z) para o SCT; e 130 m (r- ) para o TRT. Para realizar essa tarefa e fundamental ter bastante tra cos que satisfaçam as necessidades do DI em tipo, quantidade e distribuição. A m de satisfazer todas as exigências, e apresentado neste trabalho um modelo em que são produzidos cheiros com dados em bruto dos tra cos, adequados para o alinhamento, tal como s~ao os encontrados no N2, e identi - cando e lendo apenas os ROBs que contêm impactos em tra cos seleccionados. A colaboração ATLAS exercitou a cadeia completa de software de tomada de dados de ATLAS at e a an alise f sica. A principal actividade de calibração no FDR-1 foi o alinhamento do DI a partir de um uxo de alinhamento. Ficou demonstrada a capacidade de produzir constantes de alinhamento para a reconstrução dos eventos dentro de 24 horas ap os a tomada de dados, tendo as constantes sido aplicadas para a reconstrução de eventos f sicos. Foi assim validada a infraestrutura de alinhamento para a primeira toma de dados. LHC, Detector ATLAS, Detector Interno, Alinhamento do Detector Interno, Fluxo de Alinhamento