System integration of the global muon trigger for the CMS experiment at CERN

Abstract

Der Globale Müonentrigger ist eine Prozessorkarte im Level 1 Triggersystem des CMS Experiments am Europäischen Kernforschungszentrum CERN. Die Aufgabe des Level 1 Triggers ist es, die LHC-Kollisions- und damit Ereignisrate von 40 MHz auf höchstens 100 kHz zu reduzieren um die nachfolgenden Datenspeicher nicht vollends zu überlasten. Dazu werden aus grobkörnigen Messdaten physikalische Objekte (z.B. Müonen) mit Teilchentyp, Energie/Impuls und Propagationsrichtung rekonstruiert. Wenn diese Objekte festgelegten Triggerbedingungen entsprechen wird das Ereignis voll ausgelesen, ansonsten werden die Daten verworfen. Der Level 1 Trigger ist als speziell entworfenes, massiv paralleles Elektroniksystem ausgeführt um den strengen Anforderungen von niedriger Latenzzeit und hoher Effektivität genügen zu können. Der Globale Müonentrigger basiert auf programmierbaren Logik-Chips (FPGA-Technologie) und empfängt bis zu 16 Müonkandidaten von den Regionalen Müonentriggern, sucht nach doppelten oder falschen Kandidaten und sortiert sie. Die besten vier Müonen in den drei komplementären Müonendetektoren von CMS werden an den Globalen Trigger weitergeleitet.<br />Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde der Globale Müonentrigger gemeinsam mit seinen Nachbarsystemen getestet, die Programmbibliotheken zu seiner Steuerung wurden erweitert und in die Trigger Supervisor Software integriert, die als verteiltes System den gesamten Level 1 Trigger steuert.<br />Dieses Dokument beschreibt zunächst den Large Hadron Collider (Kapitel 1), dessen physikalische Charakteristika eine hocheffiziente Ereignisauswahl notwendig machen. Der CMS-Detektor (Kap. 2) und seine Subsysteme für Trigger und Datennahme (Kap. 3) werden detailliert dargestellt, ebenso wie der Globale Müonentrigger (Kap. 4). Schließlich wird dessen Integration in das umgebende Hard- (Kap. 5) und Softwaresystem (Kap. 6) beschrieben.<br />

The Global Muon Trigger is a processing board which forms part of the Level 1 trigger system of the CMS experiment at CERN. The purpose of the L1 trigger system is to reduce the incoming LHC event rate of 40 MHz to 100 kHz by reconstructing physics objects (such as muons) and their types, energies/momenta and directions from coarse detector data and selecting 'interesting' events that satisfy well-defined trigger conditions. It has to do so within a small latency time and at maximum efficiency. The L1 trigger is implemented as a massively parallel custom hardware system using programmable logic technologies.<br />Based on FPGA technology, the Global Muon Trigger receives up to 16 muon candidates from the Regional Muon Triggers, evaluates algorithms for duplicates matching, ghost suppression and sorting and delivers the best four muons found in the three complementary muon detectors of CMS to the Global Trigger.<br />In the course of this thesis, the Global Muon Trigger was tested and integrated with the neighboring hardware boards that it exchanges data with. Its control software library was expanded and integrated into the trigger-wide distributed control software Trigger Supervisor. This document gives an introduction to the Large Hadron Collider machine (chapter 1), the physics characteristics of which dictate the need for efficient and powerful triggering. The CMS detector (ch. 2) and its trigger and data acquisition systems (ch. 3) are described in detail, and the Global Muon Trigger board is introduced (ch. 4). Finally, the integration tasks carried out in the hardware (ch. 5) and software realm (ch. 6) are outlined.