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Federico's contribution : introduction mecanics and hlt description
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1
2
3 \section{The EMCal HLT online chain}
4
5 The EMCal L0 or L1 hardware trigger decisions provide the input 
6 for a dedicated on-line event processing chain running on the HLT cluster,
7 where further refinement based on criteria using the full event reconstruction 
8 information is performed.
9 In fact, the detector optical link transports the raw data to the 
10 Read-Out Receiver Card (RORC) in the local data collector of the data acquisition system, 
11 which sends a complete copy of the readout 
12 to a set of specialized nodes in the HLT cluster (FEP or Front End Processors).
13 Each FEP node is equipped with RORC cards in analogy to
14 the collector nodes used by the data acquisition.
15 The FEP nodes are physically linked to the detector hardware and reflect the geometrical
16 partitioning of each ALICE sub-system. 
17 The 10 full-size super-modules are read out using 2 Read-Out Control Units (RCUs) for a total
18 of 20 optical links running into the HLT FEPs. 
19 The reduced-size super-modules were installed prior to the 2012 LHC run and are not discussed in the present report.
20 In addition to the 20 links from the super-module readout, the HLT receives also a copy of the L0/L1 trigger data stream 
21 via an additional optical link from the EMCal jet trigger unit (STU) data collector.
22 The different stages of data processing are then performed by the 
23 software analysis chain executed on the HLT cluster:
24 a set of general purpose nodes (Computing Nodes or CNs) 
25 perform the higher level operations on the data streams which have been
26 already pre-processed on the FEPs at the lower level.
27 The EMCal software components form a specialized sub-chain 
28 executed at run time together with all other ALICE sub-systems
29 participating in the HLT event reconstruction. 
30
31 \begin{figure}[ht]
32 \begin{center}
33 \includegraphics[width=23pc]{figures/chain-new-eps-converted-to.pdf}
34 \caption{\label{f1} Functional diagram of the EMCal online reconstruction components (signal processing, data structure makers, and clusterizers) shown in green. 
35 The EMCal chain is fed by the detector raw data. Trigger components are shown in red. EMCal-specific triggers operate on the calorimeter clusters
36 and perform TPC track-matching when needed (electron and jet triggers). Monitoring components are shown in blue and live in a separate monitoring chain.
37 The EMCal triggers are evaluated within the Global Trigger which is aware of the full HLT trigger logic of the other ALICE detectors.  
38 }
39 \end{center}
40 \end{figure}
41
42 The functional units of the EMCal HLT online chain are presented in Figure \ref{f1} where
43 the online reconstruction, monitoring, and trigger components 
44 %with their relevant classes 
45 are shown together with their relevant data paths.
46 The lower-level EMCal online component ({\it RawAnalyzer}) is fed by the detector front end electronics
47 and performs signal amplitude and timing information extraction.
48 Intermediate components ({\it DigitMaker}) use this information to 
49 build the digitized data structures needed for the clusterizer components to operate on the cell signals. 
50 Alternatively, the digitized signals can be generated via monte carlo simulations ({\it DigitHandler}).
51
52 At the top of the EMCal reconstruction chain, the digits are summed by the {\it Clusterizer} component to produce the cluster data structures. 
53 The calorimeter clusters are then used to generate the different kinds of EMCal HLT trigger information:
54 a single shower trigger ($\gamma$) with no track matching, an electron trigger using the matching with a corresponding TPC track,
55 and a jet trigger also using the TPC tracks information and the V0 multiplicity dependent threshold.
56
57 The trigger logic generated by the EMCal chain is evaluated 
58 (together with the outputs of the HLT trigger components coming from other ALICE detectors)
59 within the HLT Global Trigger which produces the final high level decision based on the reconstructed event.
60 The ALICE data acquisition system will then discard, accept or tag the event according to the HLT decision.
61
62 For performance and stability reasons, the full on-line HLT chain contains only analysis 
63 and trigger components. On the other hand, monitoring components typically make 
64 heavy use of histogramming packages and ESD objects, hence they are kept in a separate chain.
65 The isolation of the monitoring from the reconstruction chain gives additional robustness since 
66 a crash in a monitoring component will not affect the reconstruction chain and the data taking.
67
68 \subsection{Reconstruction components}
69
70 As shown in Figure \ref{f1} the EMCal HLT analysis chain provides all the 
71 necessary components to allow the formation of a trigger
72 decision based on full event reconstruction. The following 
73 subsections are devoted to a detailed discussion of each processing 
74 stage, starting from the most basic, i.e. signal extraction, to 
75 the highest stage: the HLT trigger decision.
76
77 \subsubsection{RawAnalyzer}
78 The {\it RawAnalyzer} component extracts energy and timing information for each calorimeter cell. 
79 Extraction methods implemented in the offline code (AliRoot) typically 
80 use least squares fitting algorithms, and cannot be used in online processing for 
81 performance reasons. 
82 Conversely, the HLT signal extraction is done without need of fitting 
83 using two possible extraction methods. The first method, referred to as {\it kCrude},
84 simply produces an amplitude using the difference between the maximum and the minimum values
85 of the digitized time samples and associates the time bin of the maximum as the signal arrival time.
86 The {\it kCrude} method was used during the 2011 data taking: it has the advantage
87 of being extremely fast and fully robust since no complex algorithms are used. On the other hand,
88 it produces a less accurate result than the processing of the full signal shape.
89 An alternative method ({\it kPeakFinder}) evaluates the amplitude 
90 and peak position as a weighted sum of the digitized samples. This approach is
91 not as fast as {\it kCrude} but is a few hundred times faster than least squares fitting.
92
93 \subsubsection{DigitMaker} 
94 The {\it DigitMaker} component essentially transforms the raw cell signal amplitudes
95 produced by the {\it RawAnalyzer} into digit structures by processing the cell coordinates 
96 and by the application of dead channel maps and the appropriate gain factors (low and high-gain).
97
98 \subsubsection{Clusterizer} 
99 The {\it Clusterizer} component merges individual signals (digits) of adjacent cells
100 into  structures called clusters.
101 At transverse momenta $p_T>1$~GeV/c most of the clusters are associated to electromagnetic 
102 showers in EMCal  from $\pi^0$ and $\eta$ mesons decays. 
103 Other sources of electromagnetic showers are direct photons 
104 and electrons from semi-leptonic decays of $c$ and $b$ hadrons.
105 Since the typical cluster size in the EMCal can vary according to the detector occupancy due to shower 
106 overlap effects, which are much different for {\it pp} and heavy-ion collisions, 
107 clustering algorithms with and without a cutoff on the shower size are available (both in offline and in the HLT)  
108 to optimize the cluster reconstruction for the different cases. 
109 Events originating from {\it pp} collisions tends to generate 
110 smaller, spherical and well-separated clusters in the EMCal, at least up to 10 GeV/c. 
111 At higher transverse momenta, overlapping of the showers requires a shape analysis 
112 to extract the single shower energy. 
113 Above 30 GeV/c the reconstruction can be performed only with more sophisticated 
114 algorithms such as isolation cuts to identify direct photons.
115
116
117 \begin{figure}[ht]
118 \begin{minipage}{16pc}
119 %\includegraphics[width=18pc]{clus-comp.eps}
120 \includegraphics[width=16pc]{figures/emcal_cluster_match_nxn-eps-converted-to.pdf}
121 \caption{\label{f5} Reconstruction efficiency for the $N\times N$ algorithm  (cutoff) in offline and HLT. The notation $(A) \rightarrow (B)$ indicates
122 the fraction of clusters found using method A that are also found using method B (data from run 154787, period LHC11c).}
123 \end{minipage}\hspace{2pc}
124 \begin{minipage}{16pc}
125 \includegraphics[width=16pc]{figures/emcal_cluster_match_v1-eps-converted-to.pdf}
126 \caption{\label{f6}Reconstruction efficiency for the $V1$ algorithms (no cutoff) in offline and HLT. The notation $(A) \rightarrow (B)$ indicates
127 the fraction of clusters found using method A that are also found using method B (data from run 154787, period LHC11c).}
128 \end{minipage} 
129 \end{figure}
130
131 The identification of an isolated single electromagnetic cluster in the EMCal can be performed using different
132 strategies: summing up all the neighboring cells around a seed-cell over threshold until no more cells are found 
133 or adding up cells around the seed until the number of clustered cells reaches the predefined cutoff value.
134
135 The first approach is more suitable for an accurate reconstruction. A further improvement to this 
136 clustering algorithm would be the ability to unfold overlapping clusters as generated from the 
137 photonic decay of high-energy neutral mesons, however this procedure usually requires computing intensive fitting algorithms. 
138
139 Such performance penalty must be avoided in the online reconstruction so the cutoff
140 technique is preferred.  In the EMCal HLT reconstruction a cutoff of 9 cells is used (according to the 
141 geometrical granularity of the single cell size), so the clusterization is performed into a 
142 square of $3\times3$ cells. The cutoff and non-cutoff algorithms are referred to as $N\times N$ and $V1$, respectively.
143
144 In {\it pp} collisions the response of the two methods is very similar since the majority of clusters are well separated, while  
145 in {\it PbPb} collisions, especially in central events, the high particle multiplicity requires the use of the cutoff (or unfolding in offline) 
146 to disentangle the cluster signals from the the underlying event to avoid the generation of  artificially large clusters.
147
148 The quality of the EMCal online clusterizer algorithms implemented in the HLT chain were checked against offline, 
149 as shown in Figures \ref{f5} and \ref{f6} where it can be seen that the performance is in a reasonable agreement in all cases.
150 The low point at 1.25 GeV is due to bad towers, which are assigned an energy of 1 GeV.  
151 %The HLT clusterizer does not have the capability to remove bad clusters.  
152 Bad clusters are removed in later stages of the analysis, but that is not yet reflected in Figures \ref{f5} and \ref{f6}.  
153 This effect leads to an excess of clusters that are found by the HLT clusterizer, but not by the offline clusterizer.\\
154
155 Since the EMCal HLT reconstruction is mainly targeted for triggering, a small penalty in the accuracy of the energy reconstruction of the clusters is accepted 
156 as a trade off in favor of faster performance, and for this reason the cutoff clustering method was used, especially in {\it PbPb} collisions.
157
158 \subsection{Trigger components}
159
160 The online HLT chain is capable of producing trigger decisions based on full
161 event reconstruction. In terms of EMCal event rejection the following relevant trigger observables
162 have been implemented:
163
164 \begin{itemize}
165 \item neutral cluster trigger
166 \item electron and jet trigger
167 \end{itemize}
168
169
170 \subsubsection{Cluster trigger} 
171 The single shower triggering mode is primarily targeted to trigger on photons and neutral mesons.
172 In all collision systems, the high level trigger post-filtering can improve  
173 the hardware L0 and L1 trigger response by using the current bad channels map information
174 and calibration factors (which could be recomputed directly in the HLT).
175
176 \subsubsection{Electron trigger}
177 For this trigger  the cluster information reconstructed online by the EMCal HLT analysis 
178 chain is combined with the central barrel tracking information to produce complex event selection 
179 as a single electron trigger (matching of one extrapolated track with an EMCal cluster.
180 % TCA - this shouldn't be in this section, if it is included...
181 %, and requiring a match between the cluster energy and the track momentum) and a full jet trigger
182 %(matching of multiple tracks with a jet patch in the EMCal).
183 Performance and accuracy studies of the track matching component developed for this purpose 
184 have been done using simulated and real data taken during the 2011 LHC running period. 
185 Results are shown in Figures \ref{f7} and \ref{f8} where the cluster - track residuals
186 in azimuth and pseudo-rapidity units are to be compared with a calorimeter cell size of 
187 $0.014\times 0.014$.
188
189 \begin{figure}[hb]
190 \begin{minipage}{16pc}
191 \includegraphics[width=15.5pc]{figures/Fig4dPhi_performance-eps-converted-to.pdf}
192 \caption{\label{f7} 
193 Distribution of the residuals in azimuth ($\Delta\phi$) for the EMCal cluster and central barrel tracks
194 obtained using the HLT online chain for run 154787 (LHC11c), ~ 70 k events reconstructed. 
195 }
196 \end{minipage}\hspace{2pc}
197 \begin{minipage}{16pc}
198 \includegraphics[width=16pc]{figures/Fig5dEta_performance-eps-converted-to.pdf}
199 \caption{\label{f8} 
200 Distribution of the residuals in pseudo-rapidity ($\Delta\eta$) for the EMCal cluster and central barrel tracks
201 obtained using the HLT online chain for run 154787 (LHC11c), ~ 70 k events reconstructed.
202 }
203 \end{minipage} 
204 \end{figure}
205
206
207 In addition to the extrapolation of the track from the central barrel
208 to the EMCal interaction plane and the matching with a compatible nearby cluster, 
209 the electron trigger component must finally perform particle identification 
210 to issue a trigger decision. The selection of electron candidates is done 
211 using the $E/pc$ information where the energy is measured from the
212 EMCal cluster and the momentum from the central barrel track.
213 The trigger component is initialized with default values
214 for the cut of $0.8< E/pc <1.3$. The default cuts are stored in the HLT
215 conditions database and can be overridden via command line arguments
216 at configuration time (usually at start of run).
217
218 The performance of the electron trigger was studied using {\it pp} minimum 
219 bias data at 7 TeV with embedded $J/\Psi$ events.
220 Figure \ref{f9} shows the good agreement of the $E/pc$ distributions 
221 obtained with the track extrapolation - cluster matching 
222 performed using the online algorithms compared to the ESD-based tracking (red).
223
224 \begin{figure}[ht]
225 \includegraphics[width=24pc]{figures/Fig6HLTEoverP_performance-eps-converted-to.pdf}
226 \begin{center}
227 \caption{\label{f9} 
228 $E/pc$ distributions obtained with the track extrapolation - cluster matching
229 via the online algorithms compared to the ESD-based tracking (red).}
230 \end{center}
231 \end{figure}
232
233 To determine the possible improvement of the event selection 
234 for electrons with energies above 1~GeV, AliRoot simulations of the HLT chain using LHC11b10a {\it pp} minimum bias data 
235 at 2.76 GeV and the EMCal full geometry (10 super-modules)  have been used. These studies
236 have shown that at least a factor 5 to 10 in event selection can be gained compared to the single shower trigger, as shown in Figure \ref{f10}.
237
238 \begin{figure}[ht]
239 \includegraphics[width=24pc]{figures/Fig7Events_performance-eps-converted-to.pdf}
240 \begin{center}
241 \caption{\label{f10} 
242 Improvement in the event selection for $E_{e^-}>$~1~GeV from AliRoot simulation (anchor to LHC11b10a) with minimum bias {\it pp} at $\sqrt{s}=2.76$~TeV (EMCal full geometry).
243 The red points are obtained with the requirement of one hit in one of the silicon pixel (SPD) layers to reject a higher fraction of photon conversions.
244 }
245 \end{center}
246 \end{figure}
247
248
249 \subsubsection{Jet trigger}
250
251 The EMCal online jet trigger component was developed to provide 
252 an unbiased jet sample by refining the hardware L1 trigger decisions.
253 In fact, the HLT post-processing can produce a sharper turn on curve 
254 using the track matching capabilities of the online reconstruction chain. 
255 In addition, a more accurate definition of the jet area than the one provided by the hardware L1 jet patch, 
256 can be obtained choosing a jet cone based on the jet direction calculated online.
257 The combination of the hadronic and electromagnetic energy provides a measurement of 
258 the total energy of the jet by matching the tracks identified as part of the jet with 
259 the corresponding EMCal neutral energy.
260
261 The use of the HLT jet trigger also allows a better characterization 
262 of the trigger response as a function of the centrality dependent threshold 
263 by re-processing the information from the V0 detector directly in HLT.
264
265 Performance considerations, due to the high particle multiplicity    
266 in {\it PbPb} collisions, impose that the track extrapolation is done only geometrically
267 without taking into account  multiple scattering effects
268 introduced by the material budget in front of the EMCal. 
269 The pure geometrical extrapolation accounts for a speedup factor of 20 in the
270 execution of the track matcher component with respect to the 
271 full-fledged track extrapolation used in {\it pp} collisions.
272
273 The identification of the jet tracks is performed using the anti-$k_T$ 
274 jet finder provided by the FastJet package.
275
276 The EMCal jet trigger was only partially tested during the 2011 data taking period
277 and will be fully commissioned for the LHC {\it pPb} run period in 2012.
278
279 \subsection{Monitoring components}
280
281 The role of the EMCal HLT reconstruction in {\it pp} collisions is targeted mainly on 
282 the monitoring functions since the expected event sizes are small enough for 
283 the complete collision event to be fully transferred to permanent storage. 
284 \begin{figure}[h]
285 \includegraphics[width=26pc]{figures/all-monitor-eps-converted-to.pdf}
286 \begin{center}
287 \caption{\label{f2} Output from the EMCal HLT monitoring component. Top left: cluster energy spectra as a function of the  reconstructed cluster energy; 
288 bottom left: cluster position in  $\eta$ and $\phi$ coordinates; bottom right: cluster time distribution; top right: number of cells per cluster vs cluster 
289 energy. LHC11b period, $\sqrt{s}=7$ TeV {\it pp} data, 10~kEvent analyzed.}
290 \end{center}
291 \end{figure}
292
293 In this respect, two monitoring components have been developed and deployed in the online chain.
294 The first component currently monitors reconstructed quantities, such as the cluster energy spectra and timing, 
295 the cluster position in the $\eta$ and $\phi$ coordinates, and the number of cells per cluster 
296 as a function of the cluster reconstructed energy as shown in Figure \ref{f2}.
297
298 \begin{figure}[h]
299 \includegraphics[width=24pc]{figures/l0clusters-eps-converted-to.pdf}
300 \begin{center}
301 \caption{\label{f3} Energy spectrum for all clusters reconstructed by the EMCal (black points) superposed with the triggered cluster spectrum
302 (i.e. clusters reconstructed which also carry the L0 hardware trigger bit set, red points). }
303 \end{center} 
304 \end{figure}
305
306 The second component re-evaluates the EMCal hardware trigger decisions by recalculating
307 the cluster energy spectrum for all the clusters with the L0 trigger bit set as shown 
308 in Figure \ref{f3}. The L0 turn on curve can then be calculated online as the ratio between
309 the triggered and the reconstructed cluster spectra and monitored for the specific run.
310
311
312 No recalculation of hardware L1 trigger primitives was possible
313 during the 2011 data taking since the optical link from the EMCal L1 trigger unit 
314 could only installed during the 2011-2012 winter shutdown of the LHC hence
315 the software development for the L1 trigger monitoring is still underway.
316