Implementazione del Trigger di Livello Zero su di un modulo FPGA per l'esperimento NA62-CERN per misurare il decadimento raro K+ in pi+ nu nubar

The main purpose of the experiment NA62 at CERN - SPS is to measure the branching ratio of the (ultra)rare decay K + → pi+ nu nubar with a precision of 10% in order to verify, with a decisive test, the predictive power of the Standard Model. The intense flux of particles in a rare-event experiment requires a high-performance trigger and data acquisition system. Since the rate of events is ∼ 10 MHz for most of the detectors which will form the trigger, there is the intention to reduce it to ∼ 1 MHz after a first selection (level zero trigger). For this reason, the data collected by the detectors are sent via a Gigabit Ethernet connection to a development board on which is mounted a FPGA module which has the task of com0172413470paring the various event configurations with trigger masks a priori selected. If the event exceed this selection, a signal will be sent to the acquisition boards of the detectors which will save the data in memory. In this thesis, I have studied the Ethernet connection between detector and acquisition board, developed and tested a firmware able to extract the event data and save them in a FIFO buffer for each detector. The second part of the algorithm analyses data from various FIFO and checks if coincidences exist against trigger masks preselected. The work was performed by using the Altera Quartus II software and the hardware programming language VHDL. Some tests and the control CPU for the board use the C or C++ language. The first chapter introduces the experiment and the main goals. The second chapter is a description of the physics related to NA62. The third chapter is a more detailed overview of the experimental apparatus, with a brief description of each detector. The fourth chapter introduces the system of triggers, with a focus on the level zero trigger and a description of the data format to be transferred. The fifth chapter focuses on the tools needed to complete a trigger, such as the FPGA module and Ethernet connections. The sixth chapter describes the work done for writing a firmware able to communicate over the network with the FPGA. Some algorithms implemented and tests executed are exposed.

Lo scopo principale dell'esperimento NA62 al CERN-SPS è quello di misurare il branching ratio del decadimento (ultra)raro K+ → pi+ nu nubar con una precisione del 10% al fine di verificare, con un test decisivo, le capacità di previsione del Modello Standard. L'intenso flusso di particelle in un esperimento che cerca eventi rari necessita di un sistema di trigger e di acquisizione dati molto performante. Poiché il rate di eventi è ~10 MHz per la maggior parte di rivelatori che andranno a formare il trigger, lo si vuole ridurre a ~1 MHz dopo una prima selezione (trigger di livello zero). Per questo motivo i dati raccolti dai rivelatori vengono inviati tramite una connessione Gigabit Ethernet ad una scheda di sviluppo su cui è montato u modulo FPGA che ha il compito di confrontare le varie configurazioni degli eventi con delle maschere di trigger selezionate a priori. Qualora l'evento superi questa selezione, verrà inviato un segnale alle schede presenti sui detectors le quali salveranno in memoria i dati relativi. In questa tesi si è studiato come avviene la connessione ethernet tra rivelatore ed scheda di acquisizione, si è sviluppato e testato un firmware capace di estrarre i dati di un evento e salvarli in un buffer di tipo FIFO per ogni rivelatore. La seconda parte dell'algoritmo analizza i dati dalle varie FIFO e cerca se esistono coincidenze rispetto a delle maschere di trigger preselezionate. Il lavoro è stato eseguito utilizzando il software Altera Quartus II e il linguaggio di programmazione hardware VHDL. Alcuni test e il terminale per comandare la scheda utilizzano invece il linguaggio C o C++. Il primo capitolo introduce l'esperimento e i suoi scopi. Il secondo capitolo è una descrizione della fisica che NA62 si propone di misurare. Il terzo capitolo è una panoramica più dettagliata dell'apparato sperimentale, con una breve descrizione di ogni rivelatore presente nel setup. Il quarto capitolo introduce il sistema di triggers, con una particolare attenzione per il trigger di livello zero e una descrizione del formato dei dati da trasferire. Il quinto capitolo si focalizza su alcuni strumenti necessari per la realizzazione di un trigger, come il modulo FPGA e le connessioni Ethernet. Il sesto capitolo descrive il lavoro svolto per la scrittura di un firmware capace di comunicare attraverso la rete con l'FPGA. Verranno presentati alcuni algoritmi implementati e i test eseguiti.