5.7.1 Le syst`eme de d´eclenchement
Le LHC croise les faisceaux `a une fr´equence de 40 (20) MHz dans le cas de paquets espac´es de 25 (50) ns (voir section 4). En 2012, le taux de 1 milliard d’interactions par seconde a ´et´e atteint. ATLAS ´etant ´equip´e d’une centaine de millions de canaux de lecture, il paraˆıt clair qu’un flux de donn´ees correspondant `a l’enregistrement de toutes les collisions produites est beaucoup trop important pour ˆetre correctement trait´e. En effet, l’enregistrement de l’int´egralit´e du d´etecteur prend un temps de l’ordre de quelques millisecondes et un espace disque non n´egligeable. C’est de plus inutile, les physiciens ne s’int´eressant qu’`a certaines collisions bien particuli`eres.
Par cons´equent, l’exp´erience int`egre un syst`eme de d´eclenchement (trigger ) `a trois niveaux permettant de r´eduire le flux de donn´ees de plusieurs dizaines de m´egahertz `a quelques centaines de hertz, en limitant les enregistrements aux collisions susceptibles d’ˆetre utiles aux physiciens. Ce syst`eme int`egre diff´erentes chaˆınes de d´ecision plus ou moins complexes en fonction du processus ´etudi´e, appell´ees menus. Le cas du menu servant aux ´etudes des collisions avec au moins un ´electron dans l’´etat final est illustr´e dans la figure 39. Le fonctionnement g´en´eral du syst`eme est r´esum´e dans la figure 40 et d´ecrit ci-dessous.
Le syst`eme de d´eclenchement de niveau 1 (L1) est enti`erement bas´e sur l’´electro- nique. Il utilise les informations du spectrom`etre `a muons ainsi que des calorim`etres avec une granularit´e r´eduite de ∆η × ∆φ = 0.1×0.1 radian afin de d´efinir des r´egions d’interˆet (RoI pour regions of interest ). Lorsque l’´energie d´epos´ee est sup´erieure `a un certain seuil, l’´ev´enement est transmis au niveau suivant. Certaines chaˆınes requi`erent le rejet d’une fraction pr´ecise d’´ev´enements passant le L1 (par exemple 1 sur 10) afin de ne pas exc´eder le flux maximum de sortie en L1 (75 kHz). Cette fraction est appel´ee prescale et varient en fonction des chaˆınes. Les chaˆınes de d´eclenchement ne n´ecessitant pas de prescale sont dites non r´eduites ou unprescaled. Le temps maximal avant la prise de d´ecision au L1 est de 2.5µs.
Le niveau 2 (L2) est execut´e par un programme informatique. Les donn´ees du d´e- tecteur interne deviennent accessibles et l’ensemble des informations collect´ees dans les RoI sont utilis´ees afin de v´erifier certains crit`eres de qualit´e et d’´energie des d´epˆots. Pour cela, une premi`ere reconstruction simplifi´ee des objets, bas´ee uniquement sur les RoI et les traces, est effectu´ee. Diff´erents menus sont d´efinis en fonction du type et du nombre d’objets `a ´etudier. Le taux de d´eclenchement en sortie du L2 est d’environ 3.5 kHz, et
5.7 - Le syst`eme de d´eclenchement et la distribution des donn´ees 85
Fig. 39 – Sch´ema des diff´erentes ´etapes du syst`eme de d´eclenchement d’ATLAS pour la chaˆıne ´electron au cours de la premi`ere prise de donn´ees [150].
Fig. 40 – Sch´ema r´ecapitulatif du syst`eme de d´eclenchement de l’exp´erience AT- LAS [154].
satisfaites, l’ensemble du d´etecteur est enregistr´e. La fr´equence finale d’enregistrement est typiquement de quelques centraines de hertz, correspondant `a un d´ebit de sortie de 200 Mo/s. Le temps de prise de d´ecision de l’EF est typiquement d’une seconde.
Il n’y a pas eu d’am´elioration significative du syst`eme de d´eclenchement pour la seconde prise de donn´ees. La vitesse du L2+EF a toutefois pu ˆetre multipli´e par trois grˆace `a diverses optimisations. Il est aussi envisag´e d’augmenter la fr´equence de lecture des sommes analogiques du trigger du calorim`etre de 40 `a 80 MHz au cours du run 2, ce qui permettrait une meilleure identification du croisement de faisceau pour un signal donn´e, particuli`erement dans le cas de saturation des seuils [155].
5.7.2 La distribution des donn´ees
Les diff´erents menus sont regroup´es en flots de donn´ees ou stream, qui sont divis´es en plusieurs cat´egories en fonction de leur but (calibration, mesure de physique) et des objets qu’ils contiennent (´electrons/photons, muons, jets, ...). Les acquisitions sont ´egalement d´ecoup´ees en fonction du temps, l’unit´e la plus fine ´etant le bloc de luminosit´e (lumiblock ).
Les donn´ees sont alors prˆetes pour la phase dite de processing [156]. Celle-ci est effectu´ee sur des ordinateurs du CERN appel´es tier-0, et consiste `a faire une premi`ere copie int´egrale des donn´ees brutes ainsi que la premi`ere ´etape de reconstruction hors- ligne. Les donn´ees brutes et la premi`ere reconstruction sont ensuite distribu´ees `a treize autres centres de calcul appel´es tiers-1, r´epartis partout dans le monde. Ceux-ci traitent `
a nouveau les donn´ees et sont responsables de leur stockage et de leur accessibilit´e par les membres d’ATLAS. Ils les distribuent `a leur tour `a des centres de calculs secondaires appel´es tiers-2, qui constituent des zones de stockage suppl´ementaires.
Les donn´ees brutes passant l’EF sont ´ecrites au format binaire et comptent environ 1.6 Mo par ´ev´enement. Elles sont ensuite converties au format ESD (event summary data), qui est lisible dans le logiciel d´edi´e d’ATLAS, ATHENA. Les ESD pr´esentent typiquement 500 ko par ´ev´enement. Les donn´ees sont `a nouveau converties, et passent du format ESD au format AOD (analysis object data), qui a une organisation orient´ee objet. Les AOD permettent `a nouveau de r´eduire la taille `a environ 100 ko par ´ev´enement.
En parall`ele des donn´ees v´eritables, des ´echantillons simul´es sont produits et distri- bu´es au format AOD directement. Ils suivent ensuite une chaˆıne de production identique aux donn´ees. Ces ´echantillons incluent la g´en´eration de processus physiques particuliers pr´esents ou non dans le mod`ele standard `a l’aide de g´en´erateurs Monte Carlo, ainsi qu’une simulation compl`ete du d´etecteur bas´ee sur un code GEANT4 [157, 158]. Les ´echantillons simul´es jouent un rˆole tr`es important lors de l’analyse des donn´ees, comme nous le verrons dans les parties III et IV. Plus de d´etails sont disponibles dans la r´ef´e- rence [159].
5.7 - Le syst`eme de d´eclenchement et la distribution des donn´ees 87
Finalement, des d´erivations de donn´ees sp´ecifiques et adapt´ees au besoin de chaque groupe sont produites. Elles sont r´eduites au maximum afin d’optimiser les temps d’ana- lyse et lisibles avec le logiciel ROOT [160] dans leur totalit´e. Pour le run 1, le format de donn´ees en bout de chaˆıne s’appelle DPD (derived physics data). Pour le run 2, des am´eliorations importantes ont ´et´e apport´ees dans la chaˆıne de traitement et les formats DPD et AOD ont ´et´e fusionn´es dans un nouveau format unique, les xAOD [161]. Les d´erivations distribu´ees aux diff´erents groupes sont produites dans un format similaire appel´e DxAOD.
Pendant mes ann´ees de th`ese co¨ıncidant avec la pr´eparation et le d´ebut du run 2, j’ai ´et´e responsable de la mise en place et de la maintenance du code de d´erivation des donn´ees pour le groupe de physique ´etudiant les photons dans le cadre du mod`ele stan- dard (STDM2). En particulier, j’ai ´et´e amen´e `a int´eragir avec les experts des menus du syst`eme de d´eclenchement du run 2 et avec les diff´erents groupes d’analyse de physique et de performance int´eress´es par STDM2 (photon MS, groupe de performance e/γ) afin de d´efinir une d´erivation de donn´ees adapt´ee aux besoins de chacun tout en gardant une taille raisonnable.
Dans la section 6, la physique `a l’avant et les d´etecteurs des protons diffract´es `a petits angles au LHC sont introduits. Les d´etecteurs de protons `a l’avant sont indispensables pour r´ealiser la mesure propos´ee dans la partie V. Par ailleurs, un rapide ´etat de l’art est dress´e concernant la d´etection du temps de vol, qui est une des mesures essentielles des d´etecteurs de protons `a l’avant en cas de collisions `a haute luminosit´e. Ce dernier point constitue une bonne introduction `a la partie VI, qui abordera en d´etail la tˆache technique effectu´ee durant les ann´ees de th`ese, reli´ee aux tests de la carte de lecture SAMPIC pour la d´etection de temps avec une r´esolution de quelques picosecondes.
La physique `a l’avant est le domaine de la physique des particules s’int´eressant aux processus ´emettant des particules `a tr`es grande pseudo-rapidit´e. Les exp´eriences du LHC incluent dans leur ensemble un programme riche de physique `a l’avant. Sur l’initiative du comit´e du LHC (LHCC), un groupe de travail regroupant des th´eoriciens et des membres des diff´erentes exp´eriences du LHC a ´et´e constitu´e en 2014 (LHC forward working group) afin de r´ediger un rapport public (yellow report ) sur les opportunit´es apport´ees par le LHC dans le domaine et de coordonner leurs activit´es [132].20
Pendant mes ann´ees de th`ese, j’ai assum´e avec les th´eoriciens Lucian Harland-Lang et Valery Khoze la responsabilit´e de la constitution et de l’´edition finale du chapitre 5 de ce rapport, d´edi´e aux productions centrales exclusives. J’y ai ´egalement contribu´e personnellement grˆace `a l’´etude ph´enom´enologique des couplages `a quatre photons dans le canal avec protons intacts `a l’avant, introduite rapidement dans la section 2.4 et qui sera abord´ee en d´etail dans la partie V. Les r´ef´erences associ´ees sont [56] et [57]. Une autre contribution personnelle proposant l’´etude de certains processus au LHC pour d´eterminer la structure du pomeron en terme de quarks et de gluons est pr´esente dans le chapitre 4 du mˆeme rapport (processus de diffraction dure inclusive), extraite de mon travail de master [162] et bas´ee sur la r´ef´erence [163].
La section 6.2 donne un aper¸cu rapide des d´etecteurs de protons `a l’avant capable de prendre des donn´ees `a haute luminosit´e au LHC, install´es ou en projet. Les lecteurs interess´es peuvent consulter le yellow report mentionn´e dans le paragraphe pr´ec´edent et plus particuli`erement le chapitre 9, consacr´e aux d´etecteurs, pour plus de d´etails. De tels d´etecteurs sont n´ecessaires en plus d’un d´etecteur central de type ATLAS ou CMS afin de r´ealiser la mesure propos´ee dans la partie V.
La section 6.3 introduit la mesure de temps de vol, particuli`erement importante pour la d´etection des protons `a l’avant `a haute luminosit´e. Cette probl´ematique est ´etroitement reli´ee `a ma tˆache technique effectu´ee dans ATLAS pendant la th`ese, re- quise pour figurer sur la liste des auteurs des papiers de collaboration. Elle a consist´e `
a d´evelopper des outils d’analyse pour tester la carte de lecture de temps `a la picose- conde SAMPIC [164–166], con¸cue au service d’´electronique de l’Irfu (Irfu/SEDI) en collaboration avec le service d’instrumentation du laboratoire de l’acc´el´erateur lin´eaire d’Orsay (LAL/SERDI). Le compte-rendu d´etaill´e des travaux et des r´esultats obtenus avec SAMPIC sera donn´e dans la partie VI.
20Le rapport final est disponible en t´el´echargement `
a l’adresse suivante : http://www-d0.fnal.gov/ Run2Physics/qcd/loi_atlas/fpwg_yellow_report_final.pdf