German Title: Test der hochpräzisen Zeitverteilung für das ATLAS-Experiment am HL-LHC

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Abstract

The High-Luminosity LHC (HL-LHC) at CERN will significantly increase the collision rate at CERN, presenting major challenges for detector operation, particle reconstruction, triggering and analysis. This thesis addresses the critical role of high-precision 40 MHz timing distribution in the ATLAS experiment, focusing on the development, implementation, and validation of the Local Trigger Interface (LTI) module—a key component of the Phase-2 Trigger and Data Acquisition (TDAQ) system upgrade.

We detail the architecture and operation of the LTI module, including its FPGA based design, optical and electrical I/O interfaces, clocking system, and integration with ATLAS subsystems. Extensive studies were conducted to evaluate phase stability and mitigate timing uncertainties introduced by temperature variations, transceiver resets, and hardware-induced jitter. Using tools such as Digital Dual Mixer Time Difference (DDMTD) and Transmitter Phase Interpolator (TxPI), we demonstrate picosecond-level timing resolution under realistic operating conditions.

In addition to component-level validation under laboratory conditions, the LTI module was tested in integration setups with the ATLAS Liquid Argon Calorimeter and High-Granularity Timing Detector. Our results confirm the LTI’s capability to provide deterministic, low-jitter timing across large-scale distributed systems such as the ATLAS detector. This work supports the broader effort to enable accurate event reconstruction and reliable triggering in the HL-LHC era.

Translation of abstract (German)

Der High-Luminosity LHC (HL-LHC) am CERN wird die Kollisionsrate drastisch erhöhen und stellt damit erhebliche Anforderungen an den Detektorbetrieb, die Teilchenrekonstruktion, das Triggersystem und die Analyse. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der entscheidenden Rolle der hochpräzisen Verteilung des 40 MHz-Taktes im ATLAS-Experiment, mit Fokus auf die Entwicklung, Implementierung und Validierung des Local Trigger Interface (LTI) Moduls–einer zentralen Komponente des Phase-2 Upgrades des Trigger- und Datenerfassungssystems (TDAQ).

Die Architektur und Funktionsweise des LTI-Moduls werden im Detail beschrieben, einschließlich des FPGA-basierten Designs, der optischen und elektrischen Schnittstellen, des Taktungssystems sowie der Integration mit den ATLAS-Subdetektoren. Zur Bewertung der Phasenstabilität und zur Minderung von Timing-Unsicherheiten, die durch Temperaturänderungen, Transceiver-Resets und Hardware-Jitter verursacht werden, wurden umfangreiche Studien durchgeführt. Mit Werkzeugen wie der Digital Dual Mixer Time Difference (DDMTD) und dem Transmitter Phase Interpolator (TxPI) wird eine Zeitauflösung im Pikosekundenbereich unter realistischen Betriebsbedingungen demonstriert.

Neben der Validierung auf Komponentenebene in Laborumgebung wurde das LTI-Modul auch in Integrationsumgebungen mit dem ATLAS-Flüssigargon-Kalorimeter und dem High-Granularity Timing Detector getestet. Die Ergebnisse bestätigen die Fähigkeit des LTI-Moduls, deterministischen und jitterarmen Takt in einem großen und verteilten System wie dem ATLAS-Detektor bereitzustellen. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur präzisen Ereignisrekonstruktion und zu einem zuverlässigen Betrieb des Triggersystems am HL-LHC.