FIS-Projekt 05H2021: Fortentwicklung des ATLAS-Experiments zum Einsatz am HL-LHC; Phase-II-Ausbau der LAr-Kalorimeter-Elektronik bei ATLAS

Abstract

In der Hochluminositätsphase des Large Hadron Collider (HL-LHC) wird die Zahl gleichzeitig stattfindender Proton-Proton-Kollisionen auf 140–200 erhöht werden, was neue Anforderungen an die am Beschleuniger betriebenen Teilchendetektoren stellt. Aus diesem Grund wird der ATLAS-Detektor ausgebaut. Insbesondere wird die Ausleseelektronik der ATLAS-Flüssigargonkalorimeter (LAr-Kalorimeter) ersetzt, um höhere Triggerraten, größere Strahlenhärte und eine verbesserte Unterdrückung von Signal-Pileup zu erreichen. Ein System aus 278 LAr-Signalprozessoren (LASP), welche mit je zwei programmierbaren FPGA-Schaltkreisen ausgestattet sind, bilden dabei die Schnittstelle zwischen der Front-End-Elektronik und dem Trigger- und Auslesesystem und sind für die digitale Signalprozessierung zuständig. Die ATLAS-Arbeitsgruppe Dresden war bei der Erprobung von LASP-Testmodulen engagiert und am Design der finalen LASP-Prototypen beteiligt. Die zentralen Schnittstellen wurden entscheidend weiterentwickelt, so dass die Hardware-Spezifikationen der LASP-Module und des LASP-Gesamtsystems festgelegt werden konnten. Das Dresdner Team hat FPGA-Firmware für die LASP-Steuerung und das für die schnelle Datenübetragung an das Triggersystem vorgesehene Interlaken-Protokoll implementiert und erfolgreich getestet. Eine zentrale Aktivität war die Simulation, Optimierung und Implementierung der Energierekonstruktion für die LAr-Kalorimeterzellen mit Hilfe von neuronalen Netzen, welche eine verbesserte Korrektur von Signal-Pileup bei HL-LHC-Bedingungen ermöglichen. Im Bereich der LASP-Hardware wurde der Bau der LASP-Testmodule erfolgreich abgeschlossen. Die mit den Testmodulen gewonnenen Erkenntnisse wurden auf das Design der finalen LASP-Prototypen übertragen. Die Dresdner Arbeiten fanden in enger Zusammenarbeit mit den am Forschungsinfrastruktur-Projekt beteiligten Parterinnen und Partnern statt. Alle Aktivitäten waren Teil des ATLAS-LAr-Kalorimeter-Ausbaus und wurden in direkter Kollaboration mit der internationalen LAr-Kalorimetergruppe durchgeführt.