Upgrade of the (barrel) muon trigger electronic system of the CMS experiment at CERN

Abstract

The CMS Level-1 Trigger system (L1T) selects useful physics events at a rate of 100 KHz having an input rate of 40 MHz. Initially, the system was designed to operate to a luminosity of 1034cm-2s-1. According to the LHC phase I schedule, on 2016 the luminosity has been increased by a factor of two and reached 5x1034cm-2s-1 with the LHC phase II upgrade in 2025. The phase-1 upgrade of the L1T system is completed in 2016 and provides the required hardware with state of the art Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) to compensate with the requested performance for the higher luminosity environment the next years. The L1T has two main branches: The calorimeter trigger and the muon trigger. The phase-I upgrade of the barrel muon trigger is presented in this Thesis. Multiple Track Finders (TFs), running in the legacy system, in several hardware cards, integrated to twelve high-end processor boards. In the BMTF each Master Processor virtex-7 (MP7) board processes data and finds muon tracks within one wedge of muon detectors. The BMTF system is based on the μTCA standard replacing the old VME of the DTTF. The introduction of high-speed serial links running at 10 Gb/s, reduced the interconnections and made the system easier for any future intervention. The BMTF, finds muon tracks from data primitives generated in the barrel of CMS. The data are concentrated from the new upgraded sector collector system called TwinMux. The TwinMux combines data derived from gas ionization (Drift Tube detectors, DT) and data derived from muon hits (Resistive Plate Chambers detectors, RPC) moving the architecture from a muon detector-based scheme (DT and RPC) to a geometry-based system (the barrel). The TwinMux applies a timing correction of the DT data-primitives as the RPC data-primitives “hits” carry less information but better time accuracy. In the barrel, the TwinMux systems fan-outs its results called “super-primitives” to the BMTF system. The transverse momentum pT assignment unit of the BMTF has been improved by adding one extra logic branch to the assignment block. The implemented algorithm in the BMTF has been validated by detailed studies and comparisons between the results of the BMTF hardware and a bit-by-bit software emulator. The upgrade of the barrel muon trigger have reduced the trigger rate for a similar efficiency to the DTTF, in order for the BMTF to operate under higher luminosity, until the phase-II trigger upgrade starting on 2023. The work described on this Thesis, carried out according to the Technical Design Report: TDR2013. Four papers concerning the BMTF system, have been published, after work was presented in different conferences: TWEEP2015, TWEEP2016, ICHEP2016, VCI2016. One Detector Note and one Twiki web-page with useful instructions for the BMTF user have also been provided by the Thesis's writer.

Το σύστημα σκανδαλισμού του πειράματος “Συμπαγές Σωληνοειδές Μιονίων” (Compact Muon Solenoid, CMS) του Ευρωπαϊκού οργανισμού πυρηνικών ερευνών CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) αναβαθμίζεται συνεχώς έτσι ώστε να μπορεί να ανταπεξέλθει στην όλο και αυξανόμενη φωτεινότητα των αλληλεπιδράσεων αδρονιών. Η αναβάθμιση αυτή είναι προγραμματισμένο να γίνεται σε φάσεις, κατά τις οποίες το CMS διακόπτει την λειτουργία του. Οι φάσεις των αναβαθμίσεων του ηλεκτρονικού επιπέδου του συστήματος σκανδαλισμού (Level-1 Trigger, L1T) ξεκίνησαν το 2016 όπου και πραγματοποιήθηκε η πρώτη φάση αναβάθμισης. Το 2025 είναι προγραμματισμένο να συμβεί η δεύτερη φάση και στην συνέχεια ακολουθούν και άλλες φάσεις αναβαθμίσεων μετά το 2030. Τμήμα του πρώτου επιπέδου σκανδαλισμού (δηλαδή αυτού που απαρτίζεται από ηλεκτρονικές μονάδες επεξεργασίας) της πρώτης φάσης της αναβάθμισης του πειράματος CMS περιγράφεται στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή. Το κεντρικό ή βαρελοειδές σύστημα εύρεσης τροχιών μιονίων (Barrel Muon Track Finder, BMTF) αποτελεί το βασικό αντικείμενο που συνοψίζεται στις επόμενες ενότητες, οι οποίες συμπληρώνονται από την παρουσίαση εργασίας που αφορά και περισσότερα τμήματα του συστήματος σκανδαλισμού L1T. Έτσι εκτός από το BMTF παρουσιάζεται και εργασία που αφορά τρία συστήματα συλλογής και διανομής δεδομένων: TwinMux, Pre-Processing and Fan-out (CPPF) και AMC502. Καθώς επίσης και αξιολόγηση καλής λειτουργίας ηλεκτρονικών καρτών οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στο σύστημα ελέγχου και διανομής χρονισμού (Timing and Control Distribution System, TCDS). Ο αλγόριθμος του BMTF αναπτύχθηκε με βάση αυτόν που λειτουργούσε έως το τέλος 2015 στο παλαιότερο σύστημα σκανδαλισμού το οποίο ονομάζεται Drift Tube Track Finder (DTTF). Στο νέο σύστημα, ο αλγόριθμος παρουσίασε ικανοποιητική απόδοση που επιβεβαιώθηκε μέσω συγκρίσεων που έγιναν με την απόδοση συστήματος απομίμησης του αλγόριθμου ανεπτυγμένου σε λογισμικό. Κατά την διάρκεια της συναρμολόγησης του συστήματος στο πείραμα εγκαταστάθηκαν ηλεκτρονικές κάρτες, οπτικές ίνες αλλά και οπτικά μέσα, τμήμα των οποίων αντικαταστάθηκε λόγω μη ικανοποιητικής λειτουργίας τους. Κατά τις πρώτες δοκιμές το σύστημα παρουσίασε προβλήματα τα οποία λύθηκαν μέσα στα χρονικά περιθώρια που είχαν τεθεί και έτσι το BMTF τέθηκε σε πλήρη λειτουργία πριν το πείραμα CMS επαναλειτουργήσει για το 2016.