La fr´equence de croisement du LHC de 40 MHz signifie qu’une collision proton-proton a lieu toutes les 25 ns. Technologiquement, il est impossible d’enregistrer les ´ev´enements `a un tel taux et donnerait lieu `a une quantit´e de donn´ees ph´enom´enale qui ne pourrait pas ˆetre reconstruites en un temps raisonnable. De plus, tous les ´ev´enements ne sont pas int´eressant du point de vue physique. Le taux d’´ev´enements doit donc ˆetre r´eduit avant de les stocker et nous devons les rendre accessible pour une reconstruction hors ligne compl`ete. C’est le rˆole du syst`eme de d´eclenchement [83], qui repr´esente une composante essentielle de l’exp´erience LHCb. Il doit ˆetre rapide et rogoureux dans la s´election des ´ev´enements int´eressants. Toute la difficult´e r´eside donc dans ces deux contraintes : rapide et efficace.
A la luminosit´e nominale de L = 2 × 1032cm2s−1, une collision in´elastique proton-proton a lieu `a un taux moyen de σinel
pp L = 16 MHz, qui r´eduit `a 12.4MHz le taux d’´ev´enements de biais minimum. Le taux d’´ev´enements contenant une paire b¯b est σb¯bL = 100 kHz. Seule une petite partie des paires b¯b auront leurs produits de d´esint´egrations dans l’acceptance du d´etecteur tel que le taux effectif que nous pouvons d´etecter dans lhcb est de l’ordre de quelques kHz. Le rˆole du syst`eme de d´eclenchement est donc de s´electionner les ´ev´enements int´eressant tout en rejetant le bruit de fond. La s´election du syst`eme de d´eclenchement est bas´ee sur des signatures typiques de m´esons beaux : traces `a grand param`etre d’impact, particules avec de grandes ´energies transverses.
Le syst`eme de d´eclenchement est divis´e en diff´erents niveaux (cf figure 2.19). Dans la
PS SPD 00 00 00 00 11 11 11 11 0 0 0 0 1 1 1 1 00 00 00 00 00 11 11 11 11 11 Level−1 decision sorter Pile−Up TT M2 M1 M3 M4 ECAL HCAL Magnet M5 VELO Storage 200 Hz 40 kHz HLT 1 MHz per crossing # interactions T3 T2 T1 To FE 40 MHz All DATA Readout Supervisor timing & fast control Muon Trigger SPD−multiplicity Calorimeter Triggers Level−0 Level−1 Pile−Up System RICH2 RICH1
CPU farm L1 & HLT
L0 Decision Unit defines L0−trigger hadron, e, Highest E clusters: γ, π0 Two highest p muons T T VELO
Fig. 2.19 –Architecture du syst`eme de d´eclenchement de LHCb.
premi`ere ´etape, la s´election des ´ev´enements repose sur des crit`eres simples utilisant des informations partielles du d´etecteur puisqu’il n’y a pas assez de temps pour une recons-truction compl`ete. Ensuite, la complexit´e de la s´election du syst`eme de d´eclenchement augmente compte tenu du fait que le taux de r´etention est successivement r´eduit et que beaucoup plus d’informations issues du tracking deviennent accessibles. Le syst`eme de d´eclenchement de l’exp´erience comporte trois niveaux : L0, L1 et HLT. Alors que le L0 est impl´ement´e dans l’´electronique du d´etecteur (“hardware”), le L1 et le HLT sont impl´ement´es dans des algorithmes (“software”) et utilisent une ferme de calcul de 1800 ordinateurs.
2.2. UN D´ETECTEUR POUR LA PHYSIQUE DU B : LHCB 51 Notons ici que dans la prochaine g´en´eration de syst`eme de d´eclenchement, actuel-lement en cours de d´eveloppement, le niveau 1 n’existe plus. Cette modification sera discut´ee dans la section 2.2.6.4.
Comme la condition du syst`eme de d´eclenchement est de fournir le plus grand nombre d’´ev´enements beaux pour ˆetre utilis´es hors ligne, les efficacit´es du syst`eme de d´eclenchement sont d´etermin´ees sur les ´ev´enements s´electionn´es hors ligne. Pour quan-tifier les performances de ce syst`eme, nous considererons pour la suite les deux canaux Bs→ Dsπ et Bs→ J/ψ φ.
2.2.6.1 Le premier niveau de d´eclenchement : L0
Le niveau z´ero est le premier ´etage du syst`eme de d´eclenchement qui r´eduit le taux de 16 MHz `a 1 MHz. Le temps de latence, qui est le temps entre une interaction proton-proton et l’arriv´ee de la d´ecision du L0 `a l’´electronique de fornt-end, est fix´e `a 4 µs.
Le L0 implique quatre sous-syst`emes : le syst`eme de “pile-up”, le syst`eme de d´eclenchement ducalorim`etre, celui des muons et l’unit´e de d´ecision qui rassemble la d´ecision globale :
• Le syst`eme de “pile-up” :
Il d´etecte les vertex primaires multiples. Son rˆole est de rejeter les croisements de paquets contenant des interactions multiples. Cette d´ecision, bas´ee sur les grandes ´energies transverses, n’est pas suffisante. Un ´ev´enement est rejet´e si le nombre total de traces (multiplicit´e) dans ce syst`eme est sup´erieur `a 112, ou si le nombre de traces utilis´ees pour reconstruire une seconde interaction proton-proton est sup´erieur `a 3. • Le syst`eme de d´eclenchement du calorim`etre :
Un ´ev´enement est accept´e lorsque le syst`eme de d´eclenchement du calorim`etre contient un amas tel que ET > 2.6 GeV pour les ´electrons, ET > 2.3 GeV pour les photons et ET > 3.5 GeV pour les hadrons ou ET > 4.0 GeV pour les π0. De plus, l’´ev´enement est rejet´e si la somme de l’´energie totale dans les calorim`etres est inf´erieure `a 5 GeV. Un crit`ere suppl´ementaire sur la multiplicit´e du SPD est appliqu´e en r´eclamant que le nombre total de traces dans ce d´etecteur soit sup´erieur `a 280.
• Le syst`eme de d´eclenchement des muons :
Un ´ev´enement est accept´e s’il y a un muon avec une impulsion transverse pT > 1.3 GeV/c ou lorsque la somme des impulsions transverses des deux muons de plus haut pT est sup´erieure `a 1.5 GeV/c.
• L’unit´e de d´ecision :
Son rˆole est de combiner lesinformations des diff´erents sous d´etecteurs que l’on vient de mentionner afin de prendre une d´ecision.
En terme de performances, l’efficacit´e de ce premier niveau est ≈ 43% pour Bs → Dsπ et ≈ 94% pour Bs→ J/ψ φ.
2.2.6.2 Le deuxi`eme niveau de d´eclenchement : L1
Ce niveau r´eduira le taux d’´ev´enement de 1 MHz `a 40 kHz. Ce syst`eme de d´eclenchement est impl´ement´e `a partir d’algorithmes (“software trigger”) qui partagent une ferme de calcul avec le haut niveau du syst`eme de d´eclenchement (HLT).
La d´ecision du L1 est bas´ee sur les informations provenant du VELO, des stations TT et de l’unit´e de d´ecision du L0. La strat´egie de s´election est bas´ee sur les traces d´etach´ees ainsi que les grandes ´energies et impulsions ds particules. Avant toutes prises de d´ecision, les reconstructions des traces VELO et VELO-TT sont r´ealis´ees afin de d´eterminer les vertex primaires, les param`etres d’impact des traces par rapport `a ces vertex (IP) et les impulsions transverses. Les ´etapes de la reconstruction sont r´esum´ees dans la suite :
• Reconstruction des traces VELO :
Les traces L1 sont reconstruites dans le plan r − z et utilis´ees pour d´eterminer les vertex primaires en 2D. Seules les traces pour lesquelles 0.15 < IP < 3 mm ou celles correspondant `a un objet du L0 sont reconstruites en 3D.
• VELO-TT :
L’association des traces VELO avec la station TT d´etermine l’impulsion des parti-cules grˆace `a leur courbure dans le champ magn´etique de l’exp´erience.
Les ´ev´enements passant le L1 peuvent ˆetre s´electionner par diff´erentes lignes du syst`eme de d´eclenchement :
• Ligne g´en´erique : L’´ev´enement est accept´e si la somme logarithmique des impulsions transverses est P lnpT > 14.34 MeV/c pour les deux traces de plus haut pT, avec aucun crit`ere sur le nombre de vertex primaires reconstruits.
• Ligne muons simple : L’´ev´enement est accept´e s’il y a un muon avec pT > 2.3 GeV/c. • Ligne di-muon : La masse invariante de deux muons doit satisfaire mµµ >
500 MeV/c2 avec un param`etre d’impact positif tel que IPµµ > 0.075 mm.
• Ligne J/ψ : Un di-muon avec une masse invariante proche ou sup´erieure `a la masse du J/ψ, mµµ > mJ/ψ− 500 MeV/c2 d´eclenche la ligne J/ψ.
• Ligne ´electron : L’´ev´enement est s´electionn´e si Ee
T > 3.44 GeV et P lnET > 13.2. • Ligne photon : L’´ev´enement est d´eclench´e si ETγ > 3.06 GeV et P lnEγT > 13.2. L’efficacit´e du L1 est ≈ 82% pour Bs → Dsπ et ≈ 94% pour Bs → J/ψ φ sur les ´ev´enements passant la s´election hors ligne et le L0.
2.2.6.3 Le haut niveau du syst`eme de d´eclenchement
C’est le dernier ´etage avant d’´ecrire les donn´ees sur bande. SOn rˆole est de r´eduire le taux de 40 kHz `a 2kHz. A ce niveau toutes les informations du d´etecteur sont acces-sibles et une reconstruction rapide est effectu´ee afin d’obtenir tous les objets n´ecessaire pour prendre la d´ecision finale. La reconstruction en ligne est d’abord tourn´ee sur un nombre limit´e de traces et la reconstruction compl`ete est alors ´execut´ee. Le HLT g´en´erique est une phase pr´elminaire confirmant la d´ecision du L1 et regardant pour un eventuel d´eclenchement sur les muons. Lorsqu’un ´ev´enement est s´electionn´e par le HLT g´en´erique, il passe par diff´erent chemin pour la d´ecision. Le HLT est divis´e en quatre parties :
• Candidats B exclusifs : Ceci constitue le cœur du programme de physique de l’exp´erience LHCb avec des d´esint´egrations exclusives reconstruites incluant les “si-debands” et les canaux de contrˆole.
• Candidats D∗ (`a 300 Hz) : On identifie les ´ev´enements D∗ → D0h avec D0→ h h et coupure en masse douce pour le D0. On assigne aux hadrons de l’´etat final une masse du pion (h = π) qui permet de mesurer l’efficacit´e du taux d’identification
2.2. UN D´ETECTEUR POUR LA PHYSIQUE DU B : LHCB 53 et de mauvaise identification. Ils peuvent ´egalement ˆetre utilis´es pour des mesure de violation de CP dans les d´esint´egrations de m´esons D∗.
• Candidats di-muons (`a 600 Hz) : ces ´ev´enements sont utilis´es pour ´etudier l’incer-titude sur la mesure du temps de vie `a l’aide des J/ψ prompt.
• Candidats B inclusifs (`a 900 Hz) : ce lot inclut les ´ev´enements ayant une grande impulsion transverse et ceux contenant des muons de grand param`etre d’im-pact. Ils sont utilis´es pour des ´etudes syst´ematiques de l’efficacit´e du syst`eme de d´eclenchement.
Des syst`emes de d´eclenchement inclusifs suppl´ementaires, par exemple φ ou Ds peuvent ˆetre ajouter. Dans la version du HLT pr´esent´ee dans ce m´emoire, les informations en ligne des d´etecteurs RICH ne sont pas utilis´ees.
L’efficacit´e combin´ee du HLT ≈ 78% pour Bs → Dsπ et ≈ 90% pour Bs → J/ψ φ sur les ´ev´enements passant la s´election hors ligne, le L0 et le L1.
2.2.6.4 R´ecentes modifications du syst`eme de d´eclenchement de l’exp´erience R´ecemment, une nouvelle strat´egie a ´et´e adopt´ee pour le haut niveau du syst`eme de d´eclenchement. Toutes les donn´ees li´ees aux ´ev´enements s´electionn´es par le premier ni-veau du syst`eme de d´eclenchement seront maintenant envoy´es `a une ferme de processeurs. Comme nous l’avons mentionn´e pr´ecedemment, dans la nouvelle g´en´eration de syst`eme de d´eclenchement, seul deux niveaux persistent : Le L0 et le HLT. Dans cette version, le L0 r´eduit le taux de 10 MHz `a 1 MHz puis le HLT diminue ce taux jusqu’`a 2 kHz.
La strat´egie globale du syst`eme de d´eclenchement est la suivante : Tout d’abord, on veut am´eliorer le contenu en quarks beaux des lots. Ceci est r´ealis´e en s´electionnant les traces `a haute impulsion transverse, en utilisant les traces d´eplac´ees avec pour objec-tif d’augmenter le contenu en b de 1% `a ≈ 50 − 60%. On cherche ´egalement `a suivre les particules issues de la d´esint´egration, ce qui implique la construction “de voies de circulation” pour chaque type de particules comme l’illustre la figure 2.20. Finalement,
Fig. 2.20 – D´efinition des “voies de circulation” selon le type de la particule.
cette strat´egie favorise les canaux inclusifs. Cette nouvelle impl´ementation est en cours de d´eveloppement, seul le L0 est d´efini et ses performances sont bonnes pour les muons et acceptable pour les hadrons.