Desarrollo y Validación del Algoritmo de Filtrado Óptimo para el Calorímetro Hadrónico del Experimento ATLAS Joaquín Poveda Dpt. Física Atómica, Molecular y Nuclear & IFIC Universitat de València – CSIC XXXI Reunión Bienal de la RSEF Granada, 11 Septiembre de 2007

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 2 ATLAS

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 3 Calorímetro Hadrónico TileCal 4 m 12 m  Calorimetro Hadrónico de muestreo.  Dividido en 1 Barril Central (|  |<1.0) y 2 Barriles Extendido (0.8<|  |<1.7).  64 módulos por barril en .  Módulos de hierro con tejas centelleadoras intercaladas.  Las tejas están situadas en dirección perpendicular al haz de protones. La intensidad de luz en las tejas es proporcional a la energía depositada.  La luz producidas en las tejas es recogida por fibras ópticas y leída por tubos fotomultiplicadores.

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 4 Instalación  ATLAS se encuentra ahora mismo en la fase final de instalación y puesta a punto  Primeras colisiones protón-protón del LHC están previstas para Abril de 2008

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 5 Lectura de datos en TileCal  La luz producida en las tejas es convertida en señal eléctrica en los PMTs.  El pulso de salida del PMT es amplificado y conformado separadamente con dos ganancias diferentes, las cuales difieren en un factor 64.  Los pulsos de alta y baja ganancia son posteriormente digitalizados a intervalos de 25 ns por ADCs  Una de estas series de digitalizaciones es enviada mediante fibras ópticas al siguiente nivel en la cadena de adquisición: los Read-Out Drivers (RODs) PMTConformación Digitalización Pulso alta ganancia Pulso baja ganancia Pulso digitalizado luz Módulos TileCal Read-Out Driver Señal eléctrica Electrónica Frontal

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 6  El Read-Out Driver (ROD) constituye el elemento principal de la electrónica de Back-End de TileCal  Principales funciones:  Transmisión de datos: envía los datos al siguiente elemento en la cadena de adquisición a 100 kHz.  Procesado de datos: posee 4 Procesadores Digitales de Señal Electrónica de Back-End: ROD (DSPs) de coma fijo donde se aplican algoritmos de reconstrucción y trigger  Monitoraje: parte de los datos pueden leerse a través del bus VME, sin introducir tiempo muerto adicional.  Recepción del trigger, detección de errores, generación del Busy...

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 7 * Algoritmos de Reconstrucción  La amplitud de los pulsos digitalizados es proporcional a la energía depositada por las partículas en el calorímetro  es necesario reconstruir la amplitud (A) y fase (  ) de los pulsos de señal * p  Dentro de la colaboración se han desarrollado diferentes algoritmos de reconstrucción:  Método de Ajuste del Pulso (Fit Method):  Ajuste de las muestras digitales a la forma del pulso variando A y .  Método de Varias Amplidudes (ManyAmps):  Ajuste a varios pulsos con A variable y  fijo en los Bunch Crossing de LHC  Algoritmo de Filtrado Óptimo (Optimal Filtering) * * * * * * * * * * * * * *

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 8 * * * Algoritmo de Filtrado Óptimo (OF)  Obtiene la amplitud y fase del pulso mediante el uso de una media ponderada de las muestras digitales.  Los coeficientes de estas combinaciones se escogen de modo que contribución del ruido a la resolución energética sea mínima  OF1:  OF2:  Algoritmo implementado en el entorno software ATHENA (usado para tareas offline en ATLAS) y en funcionamiento. * * * * * * * * p S1S1 S2S2 S5S5 S3S3 S4S4 S6S6 S7S7 * *

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 9 Validación del Algoritmo  Estudios de validación realizados con:  Datos de simulación de piones individuales (E=50 GeV) en ATLAS (  0 ns).  Datos reales de rayos cósmicos tomados durante la puesta a punto (commisssioning) del experimento. Fase no determinada (trigger de cósmicos)  Comparación de la amplitud reconstruida con Fit Method y OF2 (en cuentas de ADC; 1 ADC = 11.6 MeV en alta ganancia)  Diferencias menores a 0.2 cuentas (menos de 1‰) Monte CarloCósmicos

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 10 Validación del Algoritmo Monte CarloCósmicos  Estudios de validación realizados con:  Datos de simulación de piones individuales (E=50 GeV) en ATLAS (  0 ns).  Datos reales de rayos cósmicos tomados durante la puesta a punto (commisssioning) del experimento. Fase no determinada (trigger de cósmicos)  Comparación de la amplitud reconstruida con Fit Method y OF2 (en cuentas de ADC; 1 ADC = 11.6 MeV en alta ganancia)  Diferencias menores a 0.2 cuentas (menos de 1‰)

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 11 Comparación de los Algoritmos  Estudio de la resolución y respuesta del calorímetro de los diferentes métodos usando simulación completa del detector  A diferencia de los períodos de haz de prueba (2003 y 2004), en ATLAS las partículas interactúan primero en el calorímetro electromagnético antes que en el hadrónico  Comportamiento típico:  Una fracción de los piones comenzará la cascada en LAr de modo que se deposita energía tanto en LAr como en TileCal.  Algunos atravesarán LAr como una MIP y la cascada hadrónica se producirá sólo en TileCal  Sólo estos último son interesan en este estudio. TileCal LAr

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 12 Comparación de los Algoritmos  Comportamiento típico:  Una fracción de los piones comenzará la cascada en LAr de modo que se deposita energía tanto en LAr como en TileCal.  Algunos atravesarán LAr como una MIP y la cascada hadrónica se producirá sólo en TileCal  Sólo estos último son interesan en este estudio. TileCal LAr

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 13 Selección de sucesos  Definición simple para la Energía total (sin jets o clusters)  Suma de la energía de las celdas en un cono alrededor de la coordenadas del pión en el MC  Amplitud del cono:  =0.4  0.4  Cortes para eliminar celdas con ruido (2  en LAr y 1  en TileCal)  Eliminar piones que depositen mucha energía en LAr:  Se simularon muones con la misma energía que los piones estudiados  Exigir comportamiento como MIPs en cada capa de LAr: E capa (  )<E MIP +2  MIP  Mismo corte en el criostato entre LAr y TileCal. TileCal LAr Criostato

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 14 Selección de sucesos  Distribuciones para la energía depositada en TileCal tras la selección de sucesos  Se usan para comparar los métodos las siguientes magnitudes:

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 15 Respuesta - Resolución  Tendencias correctas  Comparaciones difíciles dado la falta de estadística (diferencias compatibles con errores) PRELIMINAR ResoluciónRespuesta

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 16 Conclusiones y Perspectivas  Nuevo algoritmo de reconstrucción de energía en el calorímetro hadrónico de ATLAS desarrollado por el grupo TileCal-Valencia  Implementado en Athena y en funcionamiento  Validado con datos reales y de simulación  Se están realizando estudios de comparación de los diferentes algoritmos disponibles usando datos de simulación completa del detector  Planes:  Incrementar la estadística en los estudios de resolución y respuesta  Mismo estudio con otras muestras de simulación (dijets, etc.)  Estudios en entorno de ruido con apilamiento de sucesos de minimum bias

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 17 Celdas de TileCal

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 18 OF1 y OF2  OF2:  OF1:  Los pesos a i, b i y c i se obtienen de modo que minimicen la contribución del ruido a la resolución energética

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 19 Cálculo de pesos  Los pesos a i y b i se obtinen a partir de:  Autocorrelación de la señal muestra a muestra (R ij )  Forma del pulso (g i ) y su derivada (g’ i )

11/09/2007XXXI Reunión Bienal de la RSEF - Joaquín Poveda Torres 20 Reconstrucción de Ruido |A|<7 ADCMean (ADC)RMS (ADC) FIT OF |A|<7 ADCMean (ADC)RMS (ADC) FIT OF  Monte CarloCósmicos