LHCb Echtzeit-Analyse

Die Aktivitäten der LHCb-Gruppe der TU Dortmund erstrecken sich über mehrere verschiedene Themen, die Teil des RTA-Projekts am LHCb-Experiment, CERN, sind. RTA selbst steht für Real Time Analysis (Echtzeitanalyse) und konzentriert sich auf die Softwareentwicklung des LHCb-Triggersystems. "Echtzeit" ist das Intervall zwischen dem Auftreten einer Kollision und dem Zeitpunkt, an dem das entsprechende Ereignis entweder für immer verworfen oder zur dauerhaften Speicherung offline geschickt werden muss. Das LHCb-Trigger-System hat die Funktion zu entscheiden, ob bestimmte Ereignisse für die Offline-Nutzung akzeptiert oder abgelehnt werden sollen. Dies ist aufgrund der großen Datenmenge erforderlich, die der LHC mit einer Proton-Proton-Kollisionsrate von 40 MHz liefert. Um so viele Ereignisse herauszufiltern und die große Datenmenge mit den verfügbaren Rechenressourcen zu verarbeiten, wird ein dreistufiges Triggersystem eingeführt, wie in der folgenden Skizze dargestellt.

Die erste Stufe des Software-Triggers, der High-Level-Trigger (HLT1), führt die teilweise Rekonstruktion der Flugbahn durch.
Zwischen den beiden Triggerstufen befindet sich ein 10 PB großer Puffer, in dem Ereignisse zur Auswertung der Ausrichtung und Kalibrierung gespeichert werden können. Mit Hilfe der Online-Computing-Farm werden die Ausrichtungs- und Kalibrierungsalgorithmen in wenigen Minuten ausgewertet.
Unter Verwendung der Ausrichtungs- und Kalibrierungsergebnisse führt die zweite Stufe des Software-Triggers (HLT2) eine vollständige Ereignisrekonstruktion durch.

Die Ausrichtung schätzt die Position der Detektorelemente, wobei eine korrekte Ausrichtung zur Verbesserung der Daten für die Offline-Analyse beiträgt. Das Echtzeit-Ausrichtungs- und Kalibrierungsverfahren ist ein vollautomatisches Verfahren am LHCb-Experiment, das zu Beginn jeder Füllung des LHC ausgeführt wird. Das Verfahren ist für das gesamte Tracking-System am LHC einschließlich des SciFi-Detektors implementiert. Seine Bedeutung in Run 3 ist sogar noch größer, da das LHCb-Experiment über einen vollständigen Software-Trigger verfügt. Die Ausrichtungsstudien für den SciFi betreffen die Abschätzung der Genauigkeit des Verfahrens, die Anpassung der Ausrichtungsalgorithmen in Run 3 an die Detektorkomponenten und die Inbetriebnahme der Ausrichtung für Run 3. Dazu gehört auch die Teilnahme an den Betriebsaktivitäten des LHCb-Experiments, um die beste Datenqualität zu liefern.

Die HLT1-Phase des Triggers in Run 3 ist als Software-Trigger implementiert und läuft auf Grafikprozessoren (GPUs). Unsere Gruppe ist an der Entwicklung der Algorithmen zur Rekonstruktion der Spuren in HLT1 auf GPUs beteiligt.
Das beauty-Physikprogramm der LHCb-Kollaboration stützt sich auf HLT2-Trigger-Selektionen für bestimmte Signaturen. Diese dienen dazu, beauty-Hadron-Kandidaten auf der Grundlage der charakteristischen Zerfallstopologie und der kinematischen Eigenschaften, die von beauty-Zerfällen erwartet werden, zu selektieren und sie auch exklusiv auszuwählen. Wir arbeiten an der Run-3-Implementierung der topologischen Auslöser unter Verwendung von Lipschitz-monotonen neuronalen Netzen und an der inklusiven Auswahl von seltenen Zerfällen. Darüber hinaus werden die Selektionen, die für die Markierung des Flavours des b-Quarks verwendet werden, und ihre Leistung in Run 3 untersucht.

Der technische Aspekt der Mitarbeit in der RTA-Forschungsgruppe besteht in der Arbeit mit dem LHCb-Software-Stack und dem Erlernen der technischen Aspekte des LHCb-Betriebs mit Hilfe fortschrittlicher Softwaretechnologien und maschinellem Lernen.

Einige Verweise auf ausgewählte Veröffentlichungen der LHCb-Kollaboration zu RTA:

R Aaij et al. “A comprehensive real-time analysis model at the LHCb experiment”. In: JHEP 14.04 (Apr. 2019), P04006–P04006. DOI: 10.1088/1748-0221/14/04/p04006. arXiv: 1903.01360. URL: https://doi.org/10.1088/1748-0221/14/04/p04006.

R Aaij et al. “Design and performance of the LHCb trigger and full real-time reconstruction in Run 2 of the LHC”. In: JHEP 14.04 (Apr. 2019), P04013– P04013. DOI: 10.1088/1748-0221/14/04/p04013. arXiv: 1812.10790v2. URL: https://doi.org/10.1088/1748-0221/14/04/p04013.

R. Aaij et al. “Allen: A High-Level Trigger on GPUs for LHCb”. In: Computing and Software for Big Science 4.1 (Apr. 2020), p. 7. ISSN: 2510-2044. DOI: 10.1007/ s41781-020-00039-7. arXiv: 1912.09161v2. URL: https://doi.org/10.1007/s41781-020-00039-7

W.D. Hulsbergen. “The global covariance matrix of tracks fitted with a Kalman filter and an application in detector alignment”. In: Nucl. Instrum. Methods A 600 (2009), pp. 471–477. DOI: 10.1016/j.nima.2008.11.094. arXiv: 0810.2241

T. Kirn. “SciFi – A large scintillating fibre tracker for LHCb”. In: Nucl. Instrum. Meth. A 845 (2017). Ed. by G. Badurek et al., pp. 481–485. DOI: 10.1016/j.nima.2016.06.057.

L. Calefice et al., “Effect of the high-level trigger for detecting long-lived particles at LHCb”. In: Frontiers in Big Data 5 (2022), DOI: 10.3389/fdata.2022.1008737, URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fdata.2022.1008737