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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/41431
Tipo: Tese
Título: Computational Intelligence applied to Crosstalk Mitigation in a Liquid Argon Calorimeter
Autor(es): Santos, Marton Sandes dos
Primeiro Orientador: Simas FIlho, Eduardo Furtado de
Segundo Orientador: Laforge, Bertrand
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Farias, Paulo César Machado de Abreu
metadata.dc.contributor.referee1: Simas Filho, Eduardo Furtado de
metadata.dc.contributor.referee2: Farias, Paulo César Machado de Abreu
metadata.dc.contributor.referee3: Laforge, Bertrand
metadata.dc.contributor.referee4: Fernandes Júnior, Antônio Carlos Lopes
metadata.dc.contributor.referee5: Peralva, Bernardo Sotto Maior
Resumo: O ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) é o maior experimento do acelerador LHC (Large Hadron Collider) situado no CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire). O ATLAS está localizado em um dos pontos de colisão no túnel do acelerador. É composto de detectores especializados para caracterizar as partículas produzidas por colisões próton-próton (pp) com energia de centro de massa de 13 TeV. Um dos seus detectores especializados é o calorímetro de Argônio Líquido (LAr), com cerca de 187.000 células de sensores para registar a produção de partículas electromagnéticas. Os calorímetros são detectores largamente utilizados em experimentos de física de partículas, os quais têm a função de absorver e registrar a energia das partículas produzidas nas colisões no interior dos experimentos. O calorímetro em LAr do ATLAS têm uma granularidade fina e alta densidade de células, que em associação com as altas taxas de colisão, 40$\times10^6$ por segundo, e a estrutura mecânica e eletrônica do sistema de leitura do detector, produzem efeitos de interferência proveniente dos canais eletrônicos vizinhos (crosstalk -- XT). O XT aumenta a dificuldade de estimativa da energia e do tempo de propagação da partícula incidente. O Filtro Ótimo é o método padrão utilizado no ATLAS para estimar a energia e o tempo, mas no seu projeto de coeficientes, o XT não é levado em consideração, o que traz um erro na estimativa da energia e do tempo de voo das partículas. Esta tese investigou possíveis soluções para a mitigação do XT utilizando técnicas de aprendizagem de máquinas e métodos estatísticos de processamento de sinais. A solução proposta baseia-se no desenvolvimento de um estimador baseado em redes neurais artificiais para mitigar os efeitos indesejáveis do XT. Duas bases de dados simulados com base em modelos de física de partículas eletromagnéticas foram utilizados na aplicação e avaliação do modelo. Os sinais obtidos a partir dos simuladores desenvolvidos são utilizados para desenvolver e avaliar possíveis soluções em aprendizado de máquina. Utilizando os dados produzidos nos simuladores disponíveis, a abordagem utilizando métodos supervisionados mostrou-se eficiente tanto para a estimativa da energia quanto do tempo de voo das partículas utilizando a estrutura de Multilayer Perceptron (MLP) numa tarefa de regressão do valor da energia e do tempo das partículas sem a influência do XT. Os resultados obtidos produziram desempenho de regressão com baixo RMSE (\textit{root mean squared error}) em relação ao método padrão utilizado para estimar a energia e o tempo de voo das partículas. Apresentando redução do erro na estimação da energia, siginifacante redução do erro na estimação do tempo de voo. Para o valor da energia a melhor rede possui uma camada oculta, já para o tempo, uma rede com três camadas ocultas produziu o melhor resultado. O método proposto reduziu o erro da estimação da energia em até 15,5\% para energia de impacto 10 GeV, e reduziu a erro para a estimativa do tempo em até 2 ordens de grandeza na mesma energia de impacto.
Abstract: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) is the largest experiment at the LHC (Large Hadron Collider) located at CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire). ATLAS is positioned at one of the collision points in the accelerator tunnel. It is composed of specialized detectors designed to characterize particles produced in proton-proton (pp) collisions with a center-of-mass energy of 13 TeV. One of its specialized detectors is the Liquid Argon Calorimeter (LAr), featuring approximately 187,000 sensor cells to record electromagnetic particle production. Calorimeters are widely used in particle physics experiments to measure and absorb the energy of particles produced during collisions within the experiment. The ATLAS LAr calorimeter has fine granularity and a high density of cells. Combined with high collision rates and the mechanical and electronic structure of the detector's readout system, this setup generates interference effects from neighboring electronic channels (crosstalk -- XT). XT complicates energy and timing estimation for incident particles. The Optimal Filter (OF) is the standard method used in ATLAS for energy and time estimation. However, XT is not accounted for in the coefficient design, leading to errors in the estimated energy and time-of-flight of the particles. This thesis investigated potential solutions to mitigate XT using machine learning techniques and statistical signal processing methods. The proposed solution is based on the development of an artificial neural network (ANN) estimator to mitigate the undesirable effects of XT. Two simulated datasets, based on electromagnetic particle physics models, were used to apply and evaluate the model. The signals obtained from the developed simulators were employed to develop and assess potential machine-learning solutions. Using data produced by the available simulators, the supervised approach proved effective for estimating both the energy and time-of-flight values of particles. The Multilayer Perceptron (MLP) architecture was applied for regression tasks to predict the energy and time values of particles without XT influence. The results showed low RMSE (root mean squared error) compared to the standard method for estimating particle energy and time-of-flight. The approach achieved a significant reduction in energy estimation errors and a notable reduction in time-of-flight estimation errors. For energy estimation, the best network architecture featured a single hidden layer. For time estimation, a network with three hidden layers produced the best results. The proposed method reduced energy estimation errors by up to 15.5% for a 10 GeV impact energy and reduced time estimation errors by up to two orders of magnitude at the same impact energy.
Palavras-chave: Detector ATLAS
Simulador Analítico
Mitigar Crosstalk
Processamento Estatítico de Sinais
Aprendizado de Máquina
Lorenzetti - Simulador de Chuveiros Eletromagnéticos
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::PROBABILIDADE E ESTATISTICA::ESTATISTICA
Idioma: eng
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Escola Politécnica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) 
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/41431
Data do documento: 11-Dez-2024
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