Authors:	Weirich, Marcel
Title:	Development of New ATLAS Trigger Algorithms in Search for New Physics at the LHC
Online publication date:	3-Nov-2021
Year of first publication:	2021
Language:	english
Abstract:	To further explore the physics nature, ever higher luminosities will be achieved by the Large Hadron Collider (LHC). With the restart of the LHC in 2022, the ATLAS experiment, and in particular the dedicated trigger system, has to cope with increased event rates. The first level trigger is redesigned taking advantage of the latest Field Programmable Gate Array (FPGA) technology to i.a. exploit higher granularity data from the electromagnetic and hadronic calorimeters. As part of this, a new subsystem called jet Feature EXtractor (jFEX) is added. It is intended to identify particle showers (jets) and to process global energy sums. In the context of this thesis, new algorithm firmware was developed for the jFEX system. The newly developed trigger algorithms were implemented appropriately on the target FPGA by requiring a maximum processing time of 125 ns, which is well within the available latency budget of 150 ns. Accompanying, the performance of the new trigger algorithms is presented, showing several improvements over the legacy system. Moreover, trigger efficiency studies were carried out targeting events with invisibly decaying Higgs bosons, which are produced in association with hadronically decaying W or Z bosons. With the newly developed algorithm for computing missing transverse energy, the corresponding trigger threshold can be reduced by more than 30 GeV without changing the rate, which in turn forms a basis for a potential gain in sensitivity for events with low missing transverse energy. According to the Standard Model of particle physics, the fraction of Higgs bosons decaying to an invisible final state is rather small, so that an observation of such events would be a direct indication of new physics. Um die Natur der Physik weiter zu erforschen, werden vom Large Hadron Collider (LHC) immer höhere Luminositäten erzielt. Mit dem Neustart des LHC im Jahr 2022 muss das ATLAS-Experiment und insbesondere das dedizierte Triggersystem mit erhöhten Ereignisraten zurechtkommen. Die erste Triggerstufe wird unter Verwendung der neuesten FPGA-Technologie (Field Programmable Gate Array) neu gestaltet, um u. a. Daten aus den elektromagnetischen und hadronischen Kalorimetern mit höherer Granularität auszuwerten. Als Teil davon wird ein neues Subsystem mit dem Namen jet Feature EXtractor (jFEX) hinzugefügt. Dessen Aufgabe ist es, Teilchenschauer (jets) zu identifizieren und globale Energiesummen zu berechnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Algorithmus-Firmware für das jFEX-System entwickelt. Die neu entwickelten Trigger-Algorithmen wurden auf dem Ziel-FPGA implementiert, wobei eine maximale Verarbeitungszeit von 125 ns benötigt wird, was deutlich innerhalb der verfügbaren Latenz von 150 ns liegt. Begleitend wird die Leistungsfähigkeit der neuen Triggeralgorithmen vorgestellt, die verschiedene Verbesserungen gegenüber dem alten System aufzeigt. Darüber hinaus wurden Studien zur Triggereffizienz durchgeführt, welche sich auf Ereignisse mit unsichtbar zerfallenden Higgs-Bosonen beziehen, die in Verbindung mit hadronisch zerfallenden W- oder Z-Bosonen erzeugt werden. Mit dem neu entwickelten Algorithmus zur Berechnung von fehlender Transversalenergie kann bei gleichbleibender Rate die zugehörige Triggerschwelle um mehr als 30 GeV reduziert werden, was wiederum eine Grundlage für eine mögliche Sensitivitätserhöhung für Ereignisse mit niedriger fehlender Transversalenergie bildet. Nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist der Anteil an Higgs-Bosonen, die in einen unsichtbaren Endzustand zerfallen, eher gering, so dass eine Beobachtung solcher Ereignisse ein direkter Hinweis auf neue Physik wäre.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-6407
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-c9aa4643-d12d-409c-ab8d-5ea57ff918b60
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-SA
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Extent:	xiv, 141 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen