Firmware and emulator development of cut-based filter algorithms for the CMS level-1 global trigger at the high-luminosity LHC

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) hat bereits bedeutende Meilensteine erreicht, insbesondere die Entdeckung des Higgs-Bosons. Mit dem bevorstehenden Upgrade zum High-Luminosity LHC wird seine Reise fortgesetzt, wobei die Luminosität und damit die statistische Reichweite erheblich gesteigert wird. Dieses Upgrade stellt die Detektorsysteme vor große Herausforderungen, speziell den Level-1-Trigger des CMS-Experiments, der neu gestaltet werden muss, um die erhöhte Datenrate zu bewältigen. Der FPGA-basierte Level-1-Trigger ist dafür verantwortlich, Ereignisse zu filtern und so die Bunch-Crossing-Rate von 40 MHz auf eine für das CMS-Datenerfassungssystem handhabbare Rate von 750 kHz zu reduzieren. Das letzte Glied in dieser neuen Level-1-Trigger-Kette, das letztlich entscheidet, ob ein Ereignis vollständig ausgelesen wird, ist der Global Trigger. Seine Entscheidungsfindung basiert auf der Anwendung komplexer Bedingungen auf eine Vielzahl rekonstruierter Triggerobjekte, wobei erstmals Daten sowohl vom Silizium-Tracker als auch vom neuen High-Granularity-Kalorimeter genutzt werden. Diese Arbeit stellt ein zentrales Element des neuen Level-1 Global Triggers vor: die Implementierung schnittbasierter (cut-based) Algorithmen sowohl in der FPGA-Firmware als auch in der zugehörigen Emulationssoftware. Obwohl maschinelle Lernverfahren wie neuronale Netze zunehmend an Bedeutung bei der Ereignisfilterung gewinnen, bleiben schnittbasierte Algorithmen das robuste Rückgrat des Global Triggers. Die vorgestellte Implementierung dieser Algorithmen ist in der Lage, sowohl Bedingungen auf einzelne rekonstruierte Objekte als auch auf topologische Korrelationen – wie invariante Masse und Winkelabstand – anzuwenden, und das unter Einhaltung des strengen Latenzbudgets von 1 μs. Sie ermöglicht die zuverlässig Verarbeitung mit der Bunch-Crossing-Rate von 40 MHz bei kompaktem Ressourcenbedarf, der aktuell die Implementierung von bis zu 1.000 Algorithmen auf nur drei VU13P-FPGAs erlaubt. Dabei bleibt die volle Flexibilität erhalten, beliebige Kombinationen von Triggerobjekten zu beschränken und zu korrelieren. Sowohl die Software- als auch die Firmware-Komponenten wurden umfassend validiert und zeigen eine hervorragende Übereinstimmung miteinander sowie mit den aus dem aktuellen LHC-Betrieb (Run 3) extrapolierten Erwartungen. Unvermeidbare Rechenfehler durch die FPGA-Hardware wurden untersucht und als im Vergleich zur intrinsischen Auflösung des CMS-Detektors vernachlässigbar eingestuft. Über die technische Umsetzung hinaus behandelt diese Arbeit auch die operationelle Herausforderung, während des HL-LHC-Betriebs bis zu 1.000 schnittbasierte Algorithmen zu verwalten. Dazu wurde ein automatisiertes Verfahren vorgeschlagen, das diese Algorithmen gezielt auf spezifische physikalische Signaturen optimiert. Das Verfahren minimiert eine Ziel-Funktion, die die beiden konkurrierenden Ziele, Maximierung der Triggereffizienz und Minimierung der Triggerrate, gemäß einer gewählten Priorisierung vereint. Die Wirksamkeit des Ansatzes wird anhand von Fallstudien demonstriert, die den Zerfall eines B-Mesons in zwei Myonen, den Zerfall eines Higgs-Bosons in zwei Tau-Leptonen sowie den Zerfall eines Tau-Leptons in drei Myonen adressieren.

The Large Hadron Collider (LHC) has already achieved significant milestones, most notably the discovery of the Higgs boson. Its journey continues with the upcoming High-Luminosity LHC upgrade, which will drastically enhance its luminosity and, consequently, its statistical reach. This upgrade poses considerable challenges to detector systems, particularly the CMS Level-1 Trigger, which must be redesigned to handle the increased data rate. The FPGA-based Level-1 Trigger is responsible for filtering events, thereby reducing the 40 MHz bunch crossing rate to a manageable 750 kHz for the CMS data acquisition system. The final element in this new Level-1 Trigger chain, which ultimately decides whether an event is to be completely read out, is the Global Trigger. Its readout decision is made by applying complex constraints to a wide range of reconstructed trigger objects, leveraging for the first time data from the silicon tracker and the new High-Granularity Calorimeter. This thesis presents a crucial element of the new Level-1 Global Trigger: the implementation of cut-based algorithms in both FPGA firmware and the corresponding emulation software. While machine learning techniques such as neural networks are gaining traction in event filtering, cut-based algorithms remain the robust backbone of the Global Trigger. The presented cut-based algorithm implementation is capable of applying constraints to individual reconstructed objects as well as topological correlations –such as invariant mass and angular distance – all while remaining within the strict latency budget of 1 μs. It reliably handles the 40 MHz bunch crossing rate with a compact resource footprint, fitting currently up to 1,000 algorithms into just 3 VU13P FPGAs, and retains full flexibility to constrain and correlate any combination of trigger objects. Both software and firmware components were extensively validated, demonstrating excellent agreement among each other and with the expectations set by extrapolating from the current LHC Run 3 system. Unavoidable errors in the calculations performed on FPGA fabric were investigated and found to be negligible when compared with the intrinsic resolution of the CMS detector. Beyond the technical implementation, this work addresses the operational challenge of managing up to 1,000 cut-based algorithms during High-Luminosity operation. An automated procedure is proposed to tailor cut-based algorithms to specific physics signatures. The procedure minimises an achievement scalarizing function combining the two competing objectives of maximising trigger efficiency and minimising trigger rate according to some selected trade-off preference. The effectiveness of this approach is illustrated through case studies targeting a B meson decay to two muons, a Higgs boson decay to two tau leptons, and a tau lepton decay to three muons.