https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21058| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| luangomesmattosinhosdecarvalho.pdf | 7.5 MB | Adobe PDF | View/Open |
| Type: | Dissertação |
| Title: | Advancing background rejection capabilities in the CYGNO experiment via machine learning |
| Author: | Carvalho, Luan Gomes Mattosinhos de |
| First Advisor: | Nóbrega, Rafael Antunes |
| Referee Member: | Cerqueira, Augusto Santiago |
| Referee Member: | Pinto, João Victor da Fonseca |
| Resumo: | A detecção direta de Matéria Escura requer a identificação de raros eventos de Recuo Nuclear (NR) na presença de um fundo dominante de Recuos Eletrônicos (ER). O experimento CYGNO aborda esse desafio por meio de uma Câmara de Projeção Temporal gasosa com leitura óptica, capaz de reconstruir a topologia das trilhas de ionização produzidas por interações de partículas. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a avaliação de métodos de aprendizado de máquina para a discriminação ER/NR utilizando dados simulados do protótipo LIME. Para isso, foi estabelecida uma cadeia completa de análise, incluindo a reconstrução das imagens, a extração de variáveis físicas, a caracterização da resposta do detector, o ajuste de simulações de Monte Carlo, e a otimização dos classificadores. Um conjunto de 30 variáveis relacionadas à topologia e energia foi extraído das trilhas reconstruídas e utilizado no treinamento de algoritmos clássicos de aprendizado de máquina, enquanto modelos de aprendizado profundo baseados em imagens foram treinados diretamente sobre as imagens capturadas pelo detector. Os classificadores otimizados foram avaliados por validação cruzada e por meio de um conjunto de teste independente, alcançando uma ROC AUC máxima de 0,902. Uma análise detalhada em função da energia mostrou que o desempenho da discriminação é fortemente limitado em baixas energias, aproximando-se de uma separação perfeita em energias mais elevadas. Na região intermediária de energia, onde a tarefa de classificação é mais desafiadora, os métodos baseados em variáveis extraídas apresentaram fatores de rejeição de fundo comparáveis ou superiores aos obtidos pelos modelos baseados em imagens. Entre os métodos avaliados, o XGBoost e o Perceptron Multicamadas apresentaram a melhor combinação entre desempenho de classificação e eficiência computacional, atingindo taxas de inferência superiores a 105 eventos por segundo enquanto mantinham elevado poder de rejeição. Os resultados demonstram que as variáveis desenvolvidas são capazes de capturar as informações físicas relevantes contidas nas trilhas de ionização, permitindo que modelos clássicos de aprendizado de máquina igualem e, em algumas condições de operação, superem o desempenho de redes neurais convolucionais. De forma geral, o estudo indica que abordagens baseadas em variáveis físicas constituem uma solução eficiente para a discriminação ER/NR no detector LIME, preservando a possibilidade de interpretar os observáveis responsáveis pela classificação. |
| Abstract: | The direct detection of Dark Matter requires the identification of rare Nuclear Recoil (NR) interactions in the presence of dominant Electron Recoil (ER) backgrounds. The CYGNO experiment addresses this challenge through a gaseous Time Projection Chamber with optical readout, capable of reconstructing the topology of ionization tracks produced by particle interactions. This work presents the development and evaluation of machine learning frameworks for ER/NR discrimination using simulated data from the LIME prototype. A complete analysis pipeline was established, including image reconstruction, feature extraction, detector response characterization, Monte Carlo simulation tuning, and classifier optimization. A set of 30 topological and energy-related observables was extracted from reconstructed tracks and used to train classical machine learning algorithms, while image-based deep learning models were trained directly on the detector images. The optimized classifiers were evaluated using cross-validation and an independent test set, achieving a maximum ROC AUC of 0.902. A detailed energy-dependent analysis showed that discrimination performance is strongly limited at low energies and approaches perfect separation at higher energies. In the intermediate energy region, where the classification task is most challenging, feature-based approaches achieved background rejection factors comparable to or exceeding those of the image-based models. Among the evaluated methods, XGBoost and a Multilayer Perceptron provided the best combination of discrimination performance and computational efficiency, reaching inference rates above 105 events per second while maintaining competitive rejection power. The results demonstrate that the engineered observables successfully capture the relevant physical information contained in the ionization tracks, allowing classical machine learning models to match and, in some operating regimes, exceed the performance of convolutional neural networks. Overall, the study indicates that feature-based machine learning provides an efficient solution for ER/NR discrimination in the LIME detector while preserving the possibility of interpreting the physical observables responsible for the classification. |
| Keywords: | Matéria escura Experimento CYGNO Aprendizado de máquina Aprendizado profundo Rejeição de fundo Dark matter CYGNO experiment Machine learning Deep learning Background rejection |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
| Language: | eng |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
| Institution Initials: | UFJF |
| Department: | Faculdade de Engenharia |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
| Access Type: | Acesso Aberto Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil |
| Creative Commons License: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ |
| URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21058 |
| Issue Date: | 5-Aug-2026 |
| Appears in Collections: | Mestrado em Engenharia Elétrica (Dissertações) |
This item is licensed under a Creative Commons License