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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-50784
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2007/5078/


Level 3 trigger algorithm and hardware platform for the HADES experiment

Level 3 Trigger Algorithmus und Hardware Plattform für das HADES Experiment

Kirschner, Daniel Georg


pdf-Format: Dokument 1.pdf (8.425 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): HADES , RICH , MDC , Trigger , Gigabit-Ethernet
Freie Schlagwörter (Englisch): HADES , RICH , MDC , Trigger , Gigabit-Ethernet
PACS - Klassifikation: 29.85.+c 0
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.10.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 14.11.2007
Kurzfassung auf Englisch: One focus of the HADES experiment (High Acceptance Di-Electron Spectrometer; Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) mbH (Germany)) is the investigation of the decay of light vector mesons inside a dense medium into lepton pairs. These decays provide a conceptually ideal tool to study the invariant mass of the vector meson in-medium, since the lepton pairs of these meson decays leave the reaction without further strong interaction. Thus, no final state interaction affects the measurement. Unfortunately, the branching ratios of vector mesons into lepton pairs are very small (ca. 0.00001). This calls for a high rate, high acceptance experiment. In addition, a sophisticated real time trigger system is used in HADES to enrich the interesting events in the recorded data.


The focus of this thesis is the development of a next generation real time trigger method to improve the enrichment of lepton events in the HADES trigger. In addition, a flexible hardware platform (GE-MN (Gigabit-Ethernet-Multi-Node)) was developed to implement and test the trigger method.


The GE-MN features two Gigabit-Ethernet interfaces for data transport, a VMEbus for slow control and configuration, and a TigerSHARC DSP for data processing. It provides the experience to discuss the challenges and benefits of using a commercial standard network technology based system in an experiment.


The developed and tested trigger method correlates the ring information of the HADES RICH (RICH detector: Ring Imaging Cherenkov detector) with the fired wires (cells) of the HADES MDC detector (MDC: Mini Drift Chambers; drift chamber based detector system for the tracking of charged particles). This correlation method operates by calculating for each event the cells which should have seen the signal of a traversing lepton, and compares these calculated cells to all the cells that did see a signal. The cells which should have fired are calculated from the polar and azimuthal angle information of the RICH rings by assuming a straight line in space, which is starting at the target and extending into a direction given by the ring angles. The line extends through the inner MDC chambers and the traversed cells are those that should have been hit. To compensate different sources for inaccuracies not the exact cell numbers are required, but instead the cells in a matching window are investigated, and only a fraction of the MDC layers that should be hit are required to have seen a hit.


It is demonstrated that the use of the correlation method can enhance the number of events which contain leptons by an experiment dependent factor. The possible enhancements of different reactions are approx. 30 for p+p, approx. 50 for C+C and approx. 5.5 for Ar+KCl. The efficiency at these enhancements is above 80%, and it is constant in relation to the parameters polar angle, azimuthal angle and momentum. It is demonstrated how to obtain the correlation parameters from the online available raw data only.


The performance of the correlation method in terms of the events analyzed per second has been studied with the GE-MN. The performance depends on the input data and ranges from 6600 events/s for p+p data to 1400 events/s for Ar+KCl data for a single GE-MN system.
Kurzfassung auf Deutsch: Eines der Hauptaufgabengebiete des HADES Experiments (High Acceptance Di-Electron Spectrometer; Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) mbH (Germany)) ist die Erforschung des Zerfalls leichter Vektormesonen in Leptonenpaare innerhalb eines dichten Mediums. Diese Zerfälle sind ein konzeptionell ideales Werkzeug zur Erforschung der invarianten Masse von Vektormesonen in einem Medium, da diese das Medium in dem sie zerfallen ohne weitere starke Wechselwirkung verlassen. Daher wird die Messung nicht von Wechselwirkungen im Endzustand beeinflusst. Unglücklicherweise sind die Verzweigungsverhältnisse von Vektormesonen nach Leptonenpaaren sehr klein (ca. 0,00001), was es nötig macht Experimente mit hohen Reaktionsraten und hoher Akzeptanz durchzuführen. Zusätzlich verfügt das HADES Experiment über ein leistungsfähiges Trigger-System, um die physikalisch relevanten Ereignisse in den aufgenommenen Daten anzureichern.


Das Augenmerk dieser Arbeit liegt in der Entwicklung der nächsten Generation eines in Echtzeit arbeitenden Trigger-Verfahrens für das HADES Experiment zur signifikanten Verbesserung der Anreicherung von Leptonen. Des weiteren wurde eine Hardwareplatform (das GE-MN (Gigabit-Ethernet-Multi-Node)) zur Entwicklung und zur Erprobung des Trigger-Verfahrens entwickelt.


Das GE-MN System besitzt zwei Gigabit-Ethernet Schnittstellen für den Transport von Daten, eine VMEbus Schnittstelle zur Konfiguration und Überwachung sowie einen TigerSHARC DSP zur Datenverarbeitung. Es ermöglicht die Diskussion der Herausforderungen und Vorteile beim Einsatz eines solchen, auf Standard-Netzwerktechnologie aufbauenden, Systems in physikalischen Experimenten.


Die vorgestellte Trigger-Methode korreliert die Ring-Informationen des HADES RICH Detektors (RICH Detektor: Ring Imaging Cherenkov Detektor) mit den angesprochenen Drahtkammern des HADES MDC Detektors (MDC: Mini Drift Chambers; Driftkammer basiertes Detektorsystem zur Spurverfolgung geladener Teilchen). Sie berechnet die Drahtkammern, die durch das Signal eines hindurch fliegenden Leptons hätten ansprechen sollen und vergleicht diese mit den tatsächlich angesprochenen Drahtkammern. Die angesprochenen Drähte werden ausgehend von den Polar- und Azimutwinkelinformationen berechnet, indem ausgehend vom Target eine Gerade mit den Winkeln des Ringes in den Raum gelegt wird. Diese Gerade führt durch die inneren Drahtkammern. Die geschnittenen Drahtkammern sind diejenigen, die einen Treffer registrieren sollten. Zur Kompensation verschiedener Ungenauigkeiten werden nicht Treffer der berechneten Driftzellen gefordert, sondern lediglich Treffer in einem Korrelationsfenster verlangt, und nur ein Bruchteil der berechneten Drahtkammerlagen muss einen Treffer registriert haben.


Im Weiteren wird gezeigt, daß die Verwendung dieser Korrelationsmethode die Anzahl an Ereignissen, die Leptonen enthalten, um einen von dem Experiment abhängigen Faktor anreichern kann. Die möglichen Anreicherungsfaktoren für verschiedene Reaktionen sind ca. 30 für p+p, ca. 50 für C+C und ca. 5,5 für Ar+KCl. Hierbei liegt die Effizienz immer über 80% und zeigt keine Abhängigkeit von den Größen Polarwinkel, Azimuthalwinkel und Leptonenimpuls. Es wird gezeigt wie die Einstellungen zum Betrieb der Trigger-Methode vollständig aus den in Echtzeit verfügbaren Rohdaten gewonnen werden kann.


Die Geschwindigkeit der Methode in analysierten Ereignissen pro Sekunde wird mit dem GE-MN untersucht. Sie hängt ab von den Eingangsdaten und reicht von 6600 Ereignisse/s für p+p Daten bis zu 1400 Ereignisse/s für Ar+KCl Daten unter Verwendung lediglich eines GE-MN Systems.