High Multiplicity Trigger for Long-Lived Particles in CMS detector

Sintesi Tecnica: Trigger ad Alta Molteplicità per Particelle a Lunga Vita in CMS

Enunciato del Problema
Le ricerche di Particelle a Lunga Vita (LLP) presso l'esperimento CMS coinvolgono spesso topologie di eventi non convenzionali che sono difficili da selezionare utilizzando strategie di trigger standard. Nello specifico, quando le LLP decadono all'interno del sistema muonico di CMS, i loro prodotti di decadimento possono innescare sciami elettromagnetici o adronici mentre attraversano gli assorbitori in acciaio che si interpongono tra le camere muoniche. Questi "Sciami nel Rilevatore di Muoni" (MDS) producono un gran numero di tracce di particelle cariche, una firma distinta dalle poche tracce depositate dai muoni standard. Prima di questo lavoro, le ricerche CMS sulle LLP pubblicate che utilizzavano la firma MDS erano severamente limitate dalla mancanza di un trigger dedicato. Le analisi precedenti si affidavano a un elevato momento trasverso mancante (che spesso produce una bassa efficienza di segnale) o ad elettroni/muoni associati, restringendo i canali di ricerca.

Metodologia e Progettazione dell'Algoritmo
Per affrontare questa problematica, gli autori hanno sviluppato e implementato un High Multiplicity Trigger (HMT) dedicato per l'LHC Run 3, implementato sia nei sistemi Level-1 (L1) che High-Level Trigger (HLT). L'algoritmo si concentra sulla molteplicità delle tracce nelle Cathode Strip Chambers (CSC), situate nel sistema muonico dell'endcap ($0.9 < |\eta| < 2.4$).

• Implementazione Level-1: A causa dei vincoli di banda, l'algoritmo L1 opera su base per camera. Conta le tracce degli anodi (anode wire hits) e le tracce delle catode (cathode strip hits) all'interno di un singolo incrocio di bunch (BX).

  • Soglie: Una camera viene identificata come contenente uno sciame se il conteggio delle tracce supera soglie configurabili. Queste soglie sono categorizzate come "Loose" (Lieve), "Nominal" (Nominale) e "Tight" (Stretta) e sono ottimizzate per ogni station-ring (ad esempio, ME1/1, ME2/1) per bilanciare l'efficienza del segnale rispetto ai tassi di fondo, che variano significativamente con la pseudorapidità ($\eta$).
  • Logica: Il sistema codifica la presenza dello sciame in categorie a 2 bit. Nelle camere dell'anello esterno (legacy TMB), vengono utilizzate solo le tracce degli anodi. Nelle camere dell'anello interno (OTMB), vengono utilizzati sia le tracce degli anodi che quelle delle catode, con le tracce delle catote valutate su una finestra di tre BX a causa delle differenze nella risoluzione temporale.
  • Global Trigger (GT): Il Global Muon Trigger aggrega i dati da 12 settori dell'Endcap Muon Track Finder (EMTF). Genera tre seed L1: "One-Nominal" (almeno uno sciame Nominale/Tight in qualsiasi settore), "One-Tight" e "Two-Loose" (almeno due sciami Loose da diversi settori).

• Implementazione High-Level Trigger (HLT): Con vincoli di latenza meno stringenti, l'HLT ricostruisce "oggetti cluster" combinando le tracce da più camere e stazioni CSC.

  • Ricostruzione: Le tracce vengono ricostruite in posizioni 2-D ("rechits") e raggruppate tramite l'algoritmo Cambridge-Aachen nello spazio $\eta-\phi$ con un parametro di distanza di 0.4.
  • Selezioni: L'HLT applica criteri più severi ai cluster di fondo, che tendono a concentrarsi in una singola stazione e ad $\eta$ più elevati. Il percorso "One-Nominal" richiede specifiche soglie di molteplicità di tracce ($N_{hits}$) che variano da 100 a 500 a seconda di $\eta$ e del numero di stazioni coinvolte. Inoltre, esclude i cluster con tracce nelle stazioni ME1/1 e ME1/2 (dove i tassi di fondo sono più alti) e richiede coerenza temporale (da $-5.0$a$12.5$ ns). Il percorso "Two-Loose" richiede due cluster distinti con un minimo di 75 tracce ciascuno.

Contributi Chiave

1. Prima Implementazione Hardware: Questo articolo riporta la prima implementazione di un trigger hardware specifico per le LLP nell'esperimento CMS, andando oltre la dipendenza da trigger generici come il momento trasverso mancante.
2. Soglie Ottimizzate: Gli autori forniscono soglie di molteplicità di tracce ottimizzate per gli anodi e le strisce delle catode in tutte le stazioni CSC, derivate da dati zero-bias e simulazioni Monte Carlo basate su un modello benchmark Twin Higgs ($H \to 2S \to 4b$).
3. Architettura a Due Stadi: Il lavoro dettaglia una strategia di trigger a due stadi in cui l'L1 esegue un conteggio rapido delle tracce per ridurre i tassi, mentre l'HLT esegue un'analisi sofisticata di clustering e temporizzazione per sopprimere ulteriormente i fondi mantenendo un'alta efficienza.

Risultati

• Efficienza: L'HMT dimostra un drastico miglioramento dell'efficienza del segnale rispetto alle analisi della Run-2. Per i modelli benchmark, l'efficienza è migliorata di oltre un fattore 30 (da $\sim1\%$ a $>40\%$ per i singoli decadimenti di LLP). Per gli eventi con due LLP che decadono nell'accettanza CSC, il seed "Two-Loose" fornisce un guadagno di efficienza aggiuntivo di circa il 10% rispetto al solo seed "One-Nominal".
• Tasso e Stabilità: I tassi del trigger mostrano una dipendenza lineare dal pileup, dimostrando stabilità attraverso le diverse condizioni di acquisizione dati nel 2022 e 2023. L'HMT occupa circa l'1-2% della banda totale del trigger L1 di CMS e meno dello 0,5% del tasso di uscita totale dell'HLT in condizioni tipiche di Run-3.
• Soppressione del Fondo: Il requisito di più cluster o dei veto specifici sulle stazioni sopprime efficacemente i cluster di fondo, che sono tipicamente concentrati in singole stazioni e mancano della diffusione spaziale degli sciami di segnale.

Significatività
L'articolo afferma che l'HMT estende sostanzialmente la sensibilità di CMS a firme non standard associate ai decadimenti delle LLP. Mirando alla firma generica MDS, il trigger fornisce una piattaforma flessibile per la ricerca di una vasta gamma di scenari oltre il Modello Standard (BSM), inclusi decadimenti esotici dell'Higgs, Neutrini Neutri Pesanti, particelle simili ad assioni e modelli Hidden Valley. Gli autori osservano che questa implementazione apre un nuovo programma di ricerche LLP utilizzando la firma dello sciame nel rilevatore di muoni, che era precedentemente inaccessibile a causa dei limiti del trigger. Gli sviluppi futuri discussi includono l'abbassamento delle soglie in associazione con altri oggetti (come i leptoni carichi) e l'implementazione di trigger simili nel sistema muon del barile a seguito degli aggiornamenti hardware della Fase-2.