REDE NACIONAL DE FÍSICA DE ALTAS ENERIAS COMITÊ TÉCNICO CIENTÍFICO. Fomulário para apresentação de projetos à RENAFAE 2013

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1 REDE NACIONAL DE FÍSICA DE ALTAS ENERIAS COMITÊ TÉCNICO CIENTÍFICO Fomulário para apresentação de projetos à RENAFAE Informações Gerais Título Pesquisador Proponente Instituição Executora Instituições Co-executoras Instituições co-participantes do exterior Áreas de atuação dentro do Plano da Renafae Resumo da Proposta Número de pesquisadores participantes Número de alunos de pós-graduação Orçamento Geral na rubrica CAPITAL Calorimetria e Filtragem Online no Contexto de Upgrade do ATLAS José Manoel de Seixas UFRJ USP, UFJF, UFSJ, UFBA, UFF, CEFET-RJ, UFRJ CERN, BNL calorimetria, detetores, sistemas de filtragem de eventos, reconstrução de energia, instrumentação eletrônica Dentro do contexto do upgrade do ATLAS, estão sendo desenvolvidos protótipos para o trigger de múons assistido pela calorimetria, sistema de filtragem de eventos e aquisição de dados dos calorímetros. Bancadas de teste serão configuradas para testes de algoritmos e protótipos de sistemas, envolvendo estimação de energia dos calorímetros, filtragem online, hardware para aquisição dos dados dos calorímetros (TileCal e LAr) e resistência à radiação de ADC R$ ,00

2 2. Descrição Detalhada da Proposta 2.1 Objetivo O experimento ATLAS está desenvolvendo um intenso programa de pesquisa e desenvolvimento, a ser implementado em 3 fases, para adequar os detectores e sistemas associados (aquisição de dados, seleção de eventos, métodos e técnicas de análise) para as condições de operação de alta luminosidade do LHC. A primeira fase (Fase-0) envolve o reparo de vários componentes do ATLAS durante a parada técnica de e a instalação de protótipos dos futuros sistemas de aquisição de dados e trigger para testes. A segunda fase (Fase-I) envolve, principalmente, a adequação do sistema de seleção de eventos (trigger) do ATLAS, enquanto que a terceira fase (Fase-II) implicará numa atualização completa da eletrônica de front-end e aquisição de dados e modificações importantes nos detectores. Os calorímetros e seus sistemas associados serão objetos de estudo ao longo de todas as fases. Neste projeto, os desenvolvimentos do cluster ATLAS/Brazil estarão endereçados à calorimetria e sistema de aquisição de dados e filtragem. Bancadas de teste para protótipos e sistemas irão integrar as atividades do grupo brasileiro para os calorímetros do ATLAS: Eletromagnético de Argônio Líquido (LAr) e Hadrônico de Telhas (TileCal). 2.2 Áreas de Atuação 1. Calorimetria 2. Detectores e Técnicas de Detecção 3. Sistemas de Filtragem de Eventos 4. Reconstrução de Energia 5. Trigger de Múons Assistido por Calorimetria 6. Instrumentação Eletrônica 2.3 Resultados Esperados Os principais resultados esperados neste projeto são: 1. Desenvolvimento do protótipo do sistema de trigger de primeiro nível para múons assistido por calorimetria hadrônica. 2. Desenvolvimento de técnicas para estimação de energia do Calorímetro Hadrônico de Telhas (Tilecal) no novo cenário de alta luminosidade. 3. Desenvolvimento de técnicas para o sistema de filtragem online baseado em calorimetria e definicao da sua granularidade para o upgrade do ATLAS 4. Estudo de um novo hardware para aquisição dos sinais do Calorímetro Hadrônico de Telhas.

3 5. Realização dos testes com o ADC das placas digitalizadores do trigger do Calorímetro de Argônio Líquido (LAr) 6. Consolidação e desenvolvimento de bancadas de pesquisa e desenvolvimento para hardware e software dentro do upgrade do ATLAS 7. Integracao da participacao brasileira no upgrade do ATLAS. 8. Formação de pessoal de alto nível com expertise em calorimetria, filtragem online e sistemas de aquisição de dados. 9. Desenvolvimento de sistemas visando a participacao da industria nacional (hardware e software) no upgrade do ATLAS. 10. Spin-off das técnicas desenvolvidas para outras área de aplicação. 2.4 Metodologia O detector ATLAS [1] está atravessando a primeira parada técnica longa LS1 (Long Shutdown 1), também chamada de Fase 0 de upgrade, aonde vários de seus componentes estão passando por manutenção e protótipos dos novos sistemas estão sendo instalados. Após o LS1, em 2015, a luminosidade do LHC deverá atingir cm 2 s -1. A segunda parada técnica longa LS2 (Long Shutdown 2) está planejada para , aonde a luminosidade deverá atingir 2-3 x cm 2 s -1, correspondendo a 55 até 80 interações por colisão, com um intervalo de 25 ns por colisão. Durante esta fase, chamada Fase 1 de upgrade, várias modificações serão feitas, principalmente na eletrônica de front-end e de trigger dos detectores. A Fase 2 de upgrade está prevista para , após a qual a luminosidade deverá atingir 5-7 x cm 2 s -1 (HL-LHC). Nesta fase, irão ocorrer as modificações e instalações finais dos componentes dos detectores [2]. No experimento ATLAS, o aumento da luminosidade tem impacto importante tanto no sistema de filtragem e aquisição de dados (TDAQ) [3] quanto em sua calorimetria. O sistema de filtragem terá que ser capaz de lidar com uma quantidade maior de dados, o que dificulta o processo de filtragem e aquisição, enquanto a calorimetria tem como principal impacto o aumento da radiação, o aumento do empilhamento de dados (pile up) [4] e os novos requisitos do sistema de filtragem online. Para a Fase 1 [5], algumas mudanças nos detectores são previstas, mas tanto o acelerador quanto a eletrônica de front-end do ATLAS devem permanecer inalterados. As mudanças ficarão concentradas na adição de critérios de seleção baseados na informação topológica do evento no primeiro nível de filtragem, com o tempo de latência aumentando, mas ainda dentro de 2,5 µs. Vale ressaltar que nesta fase, serão mantidas as torres de trigger analógicas (informação compactada, obtida pelo sistema somador desenvolvido e fabricado no Brasil) [6] para servir como referencia para a nova estratégia de filtragem no primeiro nível, onde os sinais digitais dos calorímetros com granularidade total estarão disponíveis.

4 As torres de trigger terão papel importante a desempenhar já na Fase 0, pois fornecerão informação adicional para o trigger de múons do primeiro nível, utilizando o sinal da última camada do Tilecal, que é oferecido pelo circuito somador, Esta opção foi intensamente analisada nos últimos dois meses e recebeu o parecer favorável do ATLAS, visando testes em protótipo para dezembro de O sistema utiliza um filtro casado analógico para a detecção de múons e dispositivos na tecnologia FPGA para o tratamento digital dos sinais. Na Fase 2, diversas mudanças serão necessárias no ATLAS. Os requisitos de tempo do LHC irão mudar. A eletrônica de front-end dos calorímetros será completamente modificada devido aos novos requisitos de resistência à radiação, bem como aos novos requisitos do sistema de filtragem. A eletrônica no primeiro nível de filtragem também será modificada e câmaras adicionais de múons serão consideradas. O sistema de filtragem de alto nível (HLT) terá mudanças em seus algoritmos. O grande volume de dados irá requerer um novo sistema para aquisição dos dados dos calorímetros. Ainda é importante destacar, que o Tilecal e o LAr planejam desenvolver bancadas para demonstração [7] de sua eletrônica de front-end atualizada. Desta forma, tanto o hardware como o software poderão ser testados antes da instalação no detector. Neste contexto, percebe-se a importância do desenvolvimento de sistemas de teste para a nova eletrônica dos calorímetros, uma vez que estes irão validar ou não a utilização da eletrônica no ATLAS. O cluster ATLAS/Brazil vem trabalhando no desenvolvimento da nova versão do sistema portátil para teste da eletrônica do Tilecal, chamado de MobiDick [8]. Este sistema, que é baseado numa plataforma em FPGA, se comunica com a eletrônica do Tilecal de forma a controlá-la, adquire os dados de todos os seus canais e das torres de trigger, e verifica automaticamente se há problemas na eletrônica de front-end do detector. Para implementar o novo sistema de digitalização das torres do calorímetro LAr, a Liquid Argon Trigger Board Digitizer (LTDB), será necessário validar toda a eletrônica de digitalização e processamento dos sinais. Os primeiros dispositivos a serem validados são os conversores analógico digitais (ADC). Cada placa digitalizadora dos sinais das torres terá 320 canais distribuídos entre 40 ADC de 8 canais. Os ADC devem operar numa ampla faixa dinâmica para o trigger (12 bits no mínimo) a uma taxa de conversão de no mínimo 40 MHz; sendo, contudo, desejável a possibilidade de operar a 80 MHz, a fim de facilitar a identificação de empilhamento dos sinais. Esses dispositivos devem também sobreviver a uma dose de aproximadamente 1 kgy (que pode ser elevada para 2 kgy considerando a margem de segurança) acumulada nos próximos 15 anos de operação. A elevada densidade de sinais requer dispositivos altamente integrados (daí a utilização de ADC de 8 canais) e de baixo consumo. Os grupos de 80 canais de ADC serão agregados e serializados por dispositivos de lógica programável (FPGA) que se comunicam com a eletrônica de processamento do trigger através de 12 canais de 10Gb/s, de forma que a taxa de transferência agregada de cada

5 LTDB chega a mais de 400 Gb/s. No total, serão 64 dessas placas apenas na região central do calorímetro, o que significa uma taxa agregada de mais de 25 Tb/s apenas para o trigger eletromagnético. Vários protótipos com um número reduzido de canais estão sendo construídos para considerar as possíveis alternativas no que se refere à arquitetura do LTDB, bem como avaliar a tolerância à radiação dos componentes utilizados. Desta forma, estamos trabalhando na implantação de um sistema de testes em laboratório para o desenvolvimento de métodos de reconstrução de sinais e o estudo da tolerância à radiação dos ADC. Protótipos de 8 canais já foram construídos e estão em fase de testes e um sistema de 80 canais (1/4 slice LTDB) será implementado nos próximos meses. No que tange a estimação de energia nos calorímetros do ATLAS e a filtragem de alto nível, o cluster ATLAS/Brazil tem liderado as discussões, apresentando soluções avançadas para o contexto de empilhamento baseadas em filtragem ótima [9], branqueamento de ruído e análise de componentes independentes [10]. Estas técnicas têm potencial de aplicação tanto no Tilecal quanto no calorímetro eletromagnético LAr [11]. No calorímetro eletromagnético, pré-processamento com ICA para estimação de energia pode ser fundamental, uma vez que neste calorímetro o problema de crosstalk entre canais deve ser considerado. Atualmente, o primeiro nível de filtragem de eventos do ATLAS utiliza uma informação compactada dos calorímetros, as torres de trigger. No cenário de alta luminosidade, a informação de todos os canais dos calorímetros será disponibilizada já no primeiro nível, o que irá mudar completamente a estratégia de filtragem, e consequentemente os algoritmos de filtragem, tanto no primeiro nível quanto nos níveis subsequentes. Desta forma, estudos sobre a utilização desta informação com maior granularidade no primeiro nível de filtragem e seu impacto na eficiência do sistema estão sendo realizados. Vale ressaltar que, nestes aspectos, o cluster ATLAS/Brazil tem experiência no desenvolvimento da torre de trigger do Tilecal [5] e em trabalhos alternativos para o sistema de filtragem do ATLAS [12,13], que utilizam uma descrição da informação de calorimetria através de anéis concêntricos de deposição de energia [14]. Este enfoque alternativo tem demosntrado desempenho superior às técnicas atualmente usadas no segundo nível de filtragem online e, neste novo cenário previsto, poderá ser utilizado no primeiro nível.atlas. Técnicas de processamento digital de sinais como filtragem adaptativa [15], e de reconhecimento de padrões e inteligência computacional [16] terão papel bastante importante neste novo cenário do sistema de filtragem com total granularidade desde o primeiro nível, sem falar no desafio que será processar toda informação com o tempo de latência total de 2.5 µs. Nestes aspectos, os projetos vêm utilizando a tecnologia FPGA para o tratamento digital dos sinais [17]. Finalmente, deve ser ressaltado que as técnicas de instrumentação, processamento digital de sinais e reconhecimento de padrões desenvolvidas para

6 o ATLAS têm potencial de utilização em outras áreas, o que vem sendo explorado com sucesso pelo cluster ATLAS/Brazil. Adicionalmente, o upgrade do ATLAS abre novas oportunidades de negócio para a indústria nacional, com destaque para empresas de base tecnológica. Desta forma, o upgrade do ATLAS enseja um aumento no envolvimento da indústria nacional nos experimentos em física de altas energias, com o oferecimento de oportunidades numa área de tecnologia sofisticada com elevado valor agregado. 2.5 Colaborações Nacionais e Internacionais Este projeto conta com a participação da Universidade Federal do Rio Janeiro (UFRJ), Universidade de São Paulo (USP), Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Universidade Federal de São João Del Rei (UFSJ), Universidade Federal Fluminense (UFF), Universidade Federal da Bahia e CEFET-RJ.. Do ponto de vista internacional, o trabalho será desenvolvido no âmbito da colaboração ATLAS, tendo uma participação direta com os grupos do Tilecal, Trigger/DAq, Liquid Argon (LAr) e a coordenação técnica do ATLAS. Em particular, pode-se citar a colaboração com os grupos de Estocolmo (Suécia), Tokyo (Japão), Valência (Espanha), Brookhaven Nacional Laboratory (EUA) e Universidade de Chicago (EUA). As atividades descritas neste projeto são amplamente apoiadas no ATLAS, estando no núcleo central dos desenvolvimentos do upgrade do detector, o que fortalece as parcerias formadas nacional e internacionalmente. 2.6 Equipe Pesquisadores e PosDocs: 1. Aline Gesualdi (trigger, hardware) 2. Andre Asevedo Nepomuceno (análise calorimetria e trigger) 3. Augusto Santiago Cerqueira (estimação de energia, trigger de nível 1, trigger de múons assistido por calorimetria, instrumentação analógica) 4. Carmen Lucia Lodi Maidantchik (sistemas de engenharia de software) 5. Daniel Pedro Bezerra Chaves (análise de calorimetria) 6. Eduardo Luiz Augusto Macchione (Detectores e Instrumentação) 7. Eduardo Furtado Simas Filho (trigger de alto nível e projetos com FPGA) 8. Emi Marcia Takagui Análise de dados, simulação) 9. Fernando Marroquim (análise de calorimetria) 10. Jose Manoel de Seixas (estimação de energia, trigger de alto nível, trigger de múons assistido por calorimetria, instrumentação analógica) 11. Luciano Manhães de Andrade Filho (estimação de energia, trigger de múons assistido por calorimetria, projetos com FPGA)

7 12. Luiz Pereira Calôba (instrumentação analógica, trigger de alto nível) 13. Marco Aurelio Lisboa Leite (Detectores, Instrumentação e análise de dados) 14. Maria Aline Barros do Vale (análise de calorimetria) 15. Marisilvia Donadelli (análise de dados) 16. Olacio Dietzsch (Análise de dados e Instrumentação) 17. Paulo César Machado de Abreu Farias (trigger de alto nível, projetos com FPGA) 18. Rafael Antunes Nóbrega (trigger de primeiro nível, projetos com FPGA) 19. Yara do Amaral Coutinho (análise de calorimetria e fatores de qualidade para os sinais de calorimetria) Estudantes: 1. Adolfo Machado (I.C.) 2. Alfredo Antunes Junior (M.Sc.) 3. Victor Ferraz (D.Sc.) 4. Andressa Andrea Sivolella Gomes (I.C.) 5. Bernardo Sotto-Maior Peralva (D.Sc.) 6. Bruno Lange Ramos (I.C.) 7. Candida Meneghin (M.Sc.) 8. Rafael Gama (D.Sc.) 9. Davis Pereira Barbosa (D.Sc.) 10. João Victor da Fonseca Pinto (I.C.) 11. Felipe Fink Grael (D.Sc.) 12. Fernando Guimarães Ferreira (D.Sc.) 13. Fernando Miranda Vieira Xavier (D.Sc.) 14. Fernando Roberto de Andrade (M.Sc.) 15. José Navarro (D.Sc.) 16. Julio de Souza Vieira (M.Sc.) 17. Ramon Worme dos Santos (I.C) 18. Karina da Silva Dias (I.C.) 19. Luiz Eduardo Balabram Filho (M.Sc.) 20. Luiz Felipe Correa de Sá Santos Ferreira (I.C.) 21. Luiz Fernando Cagiano Parodi de Frias (I.C.) 22. Luiz Henrique Ramos Azevedo Évora (M.Sc) 23. Marcos Vinicius Oliveria (M.Sc.) 24. Natanael Nunes de Moura Junior (M.Sc.) 25. Rodrigo Pereira (M.Sc.) 26. Sérgio Manoel Valverde Pereira (M.Sc.) 27. Werner Freund (M.Sc.) 28. Matheus Araújo Marins (I.C.) 29. Vinicius Barbosa Schettino (M.Sc.) 30. Edmar Egídio (M.Sc.)

8 2.7 Cronograma Este projeto será desenvolvido seguindo as seguintes etapas em 24 meses: 1. Continuação dos estudos e do desenvolvimento de algoritmos para estimação de energia dos calorímetros no cenário de empilhamento de eventos e desenvolvimento/teste do trigger de múons assistido pelo Tilecal 2. Complementação das bancadas para testes experimentais 3. Montagem e testes das placas de testes dos digitalizadores para a LTDB 4. Desenvolvimento de firmware para a aquisição de dados e monitoramento dos digitlizadores do LAr. Início da caracterização dos componentes quanto aos danos por dose total por ionização (TID) utilizando radiação gama 5. Avaliação do desempenho da eletrônica do TileCal utilizando o MobiDick 6. Integração de placa de digitalização de 80 canais (1/4 slice LTDB) em sistema de aquisição de dados dedicado 7. Finalização dos testes de TID dos digitalizadores e análise dos dados. Finalização da integração do ¼ slice LTDB ao sistema de aquisição de dados, emulando o sistema de back-end do ATLAS 8. Implementação em FPGA do algoritmo de estimação de energia dos calorímetros 9. Avaliação do desempenho das técnicas de estimação implementadas em FPGA Etapa\Semestre

9 2.8 Orçamento Abaixo é apresentada a tabela com os equipamentos solicitados: Item Descrição Quantidade Preço (R$) 1 Sistema para inspeção e montagem de protótipos de placas de circuitos eletrônicos de alta densidade ,00 (15.680,00 Libras) 4 Crate VME64X 9U ,00 (8.043,00 Libras) 5 Osciloscópio DPO ,00 As cotações dos equipamentos estão sendo encaminhadas em anexo. 4. Justificativa do orçamento O Sistema de inspeção e montagem de protótipos de placas de circuitos eletrônicos de alta densidade será utilizado no teste e validação dos circuitos eletrônicos de alta densidade em placas de grande dimensão, utilizados nas bancadas de teste e no desenvolvimento de novos circuitos fabricados e montados no Brasil. O osciloscópio digital será utilizado nos desenvolvimentos de hardware, visando o trigger de múons assistido por calorimetria e os desenvolvimentos para a estimação de energia. Irá apoiar o desenvolvimentos dos protótipos e os testes de circuito. Para a complementação da bancada experimental para os desenvolvimento e testes de algoritmos de estimação e do trigger ainda é necessário pelo menos um gabinete VME64X 9U, barramento utilizado no ATLAS que servirá de base para o acoplamento de placas que serão desenvolvidas e onde os algoritmos desenvolvidos para estimação de energia e para o sistema de validação deverão ser implementados.

10 Referências [1] THE ATLAS COLLABORATION, The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, Journal of Instrumentation, JINST 3 S08003, [2] HESSEY, N., Upgrade News: Schedule, machine, organization, Atlas upgrade week, CERN, Geneva, Switzerland, November [3] HUBBARD, J. R., The ATLAS trigger/daq system, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, v. 360, pp , [4] TEUSCHER, R. Study of ATLAS TileCal Response to Minimum Bias Pileup Events, ATLAS Internal Note, [5] ATLAS Letter of Intent Phase I Upgrade, CERN-LHCC , (2012) [6] CERQUEIRA, A. S., SEIXAS, J. M., CALOBA, L. P., Analog system for building the first-level triggering signal provided by the ATLAS hadronic calorimeter of ATLAS detector, Nuclear instruments and methods in physics research. Section A, v. 570, pp , [7] CARRIO, F, on behalf of the ATLAS Tile Calorimeter System, Upgrading The ATLAS Tile Calorimeter Electronics, First Large Hadron Collider Physics Conference, Barcelona, Spain, May 2013 [8] MARIN, C. New Version of Mobile Drawer Integrity Check System (ModiDICK), Tilecal Week, CERN, Geneva, Switzerland, May [9] TREES, H. L. V., Detection, Estimation and Modulation Theory, Part I. Wiley Interscience, Reprint Ed., [10] HYVARINEN, A., KARHUNEN, J., OJA, E., Independent Component Analysis. Wiley Interscience, New York, [11] THE ATLAS COLLABORATION. Liquid Argon Calorimeter Technical Design Report, CERN/LHCC/96-041, 1996.

11 [12] IGONKINA, O. ; SEIXAS, J. M. de ; et al.. Calorimetry Triggering in ATLAS. Journal of Physics. Conference Series (Online), v. 160, p , [13] CIODARO, T., SEIXAS, J. M. ; et al (ATLAS TileCal Collaboration). A Receiver System for Detecting Calorimeter Signals Under Low Signal to Noise Ratio Conditions. In: Internoise 2010, 2010, Lisboa. Proceedings of Internoise 2010, v. 1. p [14] TORRES, R. C., SEIXAS, J. M. De, ANJOS, A. R. Dos, CUNHA, Danilo Vannier. Online Electron/Jet Neural High-level Trigger Over Independent Calorimetry Information. The Journal of High-Energy Physics - POS online, v. ACAT, p. 1-15, [15] HAYKIN, S., Adaptive Filter Theory, Prentice Hall, Third Edition, [16] HAYKIN, S, Neural Network A Comprehensive Foundation, Prentice Hall, Second Edition, [17] BROWN, S., Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design, Mc Graw Hill, 2000.