Commissioning of the ALICE High-Level Trigger

178 Pages·2013·6.65 MB·English

Commissioning of the ALICE
High-Level Trigger
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
9
1
3 der Johann Wolfgang Goethe-Universit¨at
-
2
1
0
2 in Frankfurt am Main
-
S
I
S
E
H2
1
T0
N-/2
0
R1
E/
C31
von
Jochen Th¨ader
aus Heidelberg
Frankfurt 2012
(D30)
vom Fachbreich Physik der
Johann Wolfgang Goethe-Universit¨at als Dissertation angenommen.
Dekan : Prof. Dr. Michael Huth
Gutachter : Prof. Dr. Harald Appelsh¨auser
Prof. Dr. Volker Lindenstruth
Datum der Disputation : 31.10.2012
Quand tu veux construire un bateau,
ne commence pas par rassembler du bois,
couper des planches et distribuer du
travail, mais reveille au sein des
hommes le desir de la mer grande et large.
Citation attribu´ee a Antoine de Saint-Exup´ery

Durch Menschen bewegen sich Ideen fort,
w¨ahrend sie in Kunstwerken erstarren
und schließlich zuru¨ckbleiben.
Joseph Beuys

Abstract
A new era in experimental nuclear physics has begun with the start-up of the
Large Hadron Collider at CERN and its dedicated heavy-ion detector system
ALICE. Measuring the highest energy density ever produced in nucleus-nucleus
collisions, the detector has been designed to study the properties of the created
hot and dense medium, assumed to be a Quark-Gluon Plasma.
Comprised of 18 high granularity sub-detectors, ALICE delivers data from
a few million electronic channels of proton-proton and heavy-ion collisions.
The produced data volume can reach up to 26GByte/s for central Pb–Pb
collisions at design luminosity of L = 1027cm−2s−1, challenging not only the
data storage, but also the physics analysis. A High-Level Trigger (HLT) has
been built and commissioned to reduce that amount of data to a storable value
prior to archiving with the means of data filtering and compression without the
loss of physics information. Implemented as a large high performance compute
cluster, the HLT is able to perform a full reconstruction of all events at the time
of data-taking, which allows to trigger, based on the information of a complete
event. Rare physics probes, with high transverse momentum, can be identified
and selected to enhance the overall physics reach of the experiment.
The commissioning of the HLT is at the center of this thesis. Being deeply
embedded in the ALICE data path and, therefore, interfacing all other ALICE
subsystems, this commissioning imposed not only a major challenge, but also a
massive coordination effort, which was completed with the first proton-proton
collisions reconstructed by the HLT. Furthermore, this thesis is completed with
the study and implementation of on-line high transverse momentum triggers.

Zusammenfassung
Ein existenzieller Wesenszug des Menschen ist die Neugier auf das Unbekannte und
das Neue. Deshalb versuchen von je her von Forscher und Wissenschaftler die R¨atsel
des Universums zu ergru¨nden und die Welt, so wie wir sie heute kennen, zu erkl¨aren.
Wir glauben heute ein ziemlich umfangreiches Verst¨andis daru¨ber zu besitzen, wie sich
die Erde und das Universum in den letzten 14 Milliarden Jahren entwickelt haben.
Jedoch gibt es immer noch große weiße Flecken auf der Landkarte der Forschung und
Wissenschaftler aller Disziplinen versuchen diese zu erforschen.
Zwei große Fragen, die sich Physiker stellen befinden sich an den entgegengesetzten
Enden der Beobachtungsskala: Was ist das Innerste der Materie? - und Wie hat sich
das Universum nach dem Urknall entwickelt? Beide werden parallel in der Hochenergie-
Teilchen- und Kernphysik mit der Hilfe von Teilchenbeschleunigern untersucht.
Der gr¨oßte und energiereichste, und damit der st¨arkste Teilchenbeschleuniger, der
je gebaut wurde, ist der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf (Schweiz).
Mit dem Start des LHCs hat eine neue A¨ra in der Hochenergiephysik begonnen. Vier
Mehrzweckgroßexperimente sind in der Lage, Proton-Proton-Kollisionen bei nie gemes-
senen Schwerpunktenergien bis zu 14TeV zu untersuchen. Damit erm¨oglicht er nicht
nur die Suche nach dem Higgs Boson, sondern auch die nach neuer Physik außerhalb des
bekannten Standard Modells der Teilchenphysik, sowie die Untersuchung der Struktur
der Nukleonen.
Daru¨ber hinaus ist der LHC auch in der Lage, Schwerionen bis hin zu Blei zu
beschleunigen und miteinander kollidieren zu lassen. Dabei werden eine Energiedichte
und Temperatur erzeugt, die Mikrosekunden nach dem Urknall, kurz nach dem elektro-
schwachen Phasenu¨bergang, existierten. In diesem ausgedehnten Feuerball wird Materie
transformiert und neue Materie erzeugt. Dieser Zustand von stark gekoppelter Materie
wird von mehreren LHC Experimenten untersucht. Auf Grund der ¨außerst kurzen
Lebenszeit dieses Materiezustands kann er nicht direkt beobachtet werden. Die Messung
der Teilchen, die vom Medium emittiert wurden, erlaubt es, Ru¨ckschlu¨sse auf die
ErzeugungunddasVerhaltendieserextremenFormvonMateriezuziehen.InKollisionen
von Bleikernen werden am LHC die h¨ochsten Energiedichten gemessen, die jemals in
Schwerionenkollisionen erzeugt wurden.
A Large Ion Collider Experiment (ALICE), in dessen Kontext diese Arbeit entstand,
ist eines der vier großen LHC Experimente. Es wurde entworfen und gebaut, um
haupts¨achlich Kollisionen von Schwerionen zu erforschen, ist aber auch in der Lage
Proton-Proton (pp)-Kollisionen zu untersuchen. ALICE kombiniert verschiedene mo-
dernste Detektortechnologien in einem Experiment, um unterschiedliche Aspekte des in
Schwerionenkollisionen erzeugten, stark gekoppelten, Mediums zu studieren. Um die
enorme Anzahl von produzierten Teilchen zu bew¨altigen und zu unterscheiden, haben
die einzelnen Detektoren und deren Datenauslese eine hohe Aufl¨osung. Dies resultiert
in Datenraten bis zu 26GByte/s und die dadurch erzeugten Datenmengen bilden eine
Herausforderung fu¨r die Datenverarbeitung und Datenanalyse.
Da solche Datenraten und Datenmengen nicht einfach gespeichert werden k¨onnen,
ist ein Auswahlmechanismus notwendig, vor allem auch deshalb, weil viele interessante
ii
Prozesse relativ selten auftreten und sie von einer großen Anzahl an Hintergrunder-
eignissen u¨berdeckt werden. Aus diesem Grund wurde der ALICE High-Level Trigger
(HLT) konzipiert und gebaut, um schon w¨ahrend der Datennahme die ausgelesenen
Ereignisse online zu rekonstruieren oder komprimieren und die seltenen Prozesse zu
selektieren, bevor die ausgelesenen Daten gespeichert werden. Indem damit die Anzahl
der relevanten, gespeicherten Ereignisse erh¨oht wird, steigert sich die Leistungsf¨ahigkeit
und Ausbeute der einzelnen Datenanalysen.
Nach Jahren der Planung und Entwicklung startete die Inbetriebnahme von ALICE
und ihren Sub-Systemen im Jahr 2006 und dauerte an bis 2010 - als die ersten Protonen
√
mit einer Schwerpunktenergie von s = 7TeV kollidierten. Der Hauptteil dieser Arbeit
beschreibt die Inbetriebnahme des in den ALICE-Datenpfad eingebetteten HLTs. Ein
weiterer Teil erl¨autert die Anwendung des HLTs als Trigger fu¨r Teilchen mit hohem
Transversalimplus p .
t
Der HLT wurde als H¨ochstleistungsrechnerverbund, ein sogenannter H¨ochstleistungs-
cluster, geplant und konstruiert. Die Inbetriebnahme des HLTs umfaßte somit eine weite
Spanne von Aufgaben, die in Beziehung zu der Clusterinfrastruktur, insbesondere der
Hard- und Software, stehen. Zus¨atzlich mußten auch das Daten-Transport-Framework
und die Rekonstruktions- und Analyse-Frameworks in Betrieb genommen werden.
Da der HLT ein integraler Bestandteil des Datenpfads in ALICE ist, verfu¨gt es
u¨ber Schnittstellen, sogenannte Interfaces, zu fast jedem Sub-System, das an der Da-
tenaufnahme beteiligt ist. Das korrekte Funktionieren dieser Schnittstellen ist ¨außerst
wichtig um einen reibungsfreien Ablauf der Datenaufnahme zu garantieren. Eines der
Schlu¨sselthemen der Inbetriebnahme war die Bereitstellung der Informationen von
rekonstruierten Ereignissen, welche sowohl die rekonstruierten Ereignisse an sich als
auch Histogramme zur Datenqualit¨at beinhalten.
Tatsache ist, dass eine Inbetriebnahme eines solch komplexen Systems kein grad-
liniger Prozess ist, der aber eine klar vorgegebene Richtung ben¨otigt. W¨ahrend des
Inbetriebnahmeverfahrens mußten die Entwurfsu¨berlegungen auf Grund neuer Entwick-
lungen im HLT auch im Gesamtsystem ALICE angepaßt werden. Zudem mussten neue
Anwendungen entwickelt und gebaut werden um den gewonnenen Erfahrungen gerecht
zu werden. Die Verwendung von leading-edge-Technologien, wie die neueste und innova-
tivste Computerhardware, Netzwerk Technologie, sowie Grafikkarten (GPUs) fu¨gte noch
eine weitere Ebene der Komplexit¨at hinzu. All dies fu¨hrte zu einem herausfordernden
Inbetriebnahmeverfahren, das fast t¨aglich zu wichtigen Entscheidungen daru¨ber fu¨hrte,
wie man weiter fortzusetzen habe.
Diese Arbeit motiviert nicht nur die Notwendigkeit fu¨r einen ALICE HLT, sondern
beschreibt auch dessen erfolgreiche Entwicklung, Umsetzung und Inbetriebnahme. ALI-
CE wurde konzipiert, um im ungu¨nstigsten Fall eine Multiplizit¨atsdichte von geladenen
Teilchen von dN /dη = 8000 bei einer Ausleserate von 200Hz mit zentralen Pb–Pb-
ch
Kollisionen zu bew¨altigen. Im Falle von pp-Kollisionen betrug die geplante Ausleserate
1kHz. Die Gr¨oße der einzelnen Ereignisse wird von der Datengr¨oße des wichtigsten Spur-
detektorsderZeitprojektionskammer(Time Projection Chamber (TPC)),dominiert.Die
Ereignisgr¨oße der TPC ist fast linear abh¨angig von der Anzahl der geladenen Teilchen
im Driftvolumen. Mit einer langen Driftzeit von 94µs ist sie daru¨ber hinaus anf¨allig fu¨r
jegliche Art von Pile-up, das heißt multiple Ereignisse innerhalb des Driftvolumens.
Im ungu¨nstigsten Fall werden fu¨r zentrale Pb–Pb-Kollisionen bei dN /dη = 8000
ch