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Type: Tese
Title: Desenvolvimento de um simulador e estudo de mitigação de crosstalk para calorímetros eletromagnéticos
Author: Faria, Mateus Hufnagel Maranha de
First Advisor: Andrade Filho, Luciano Manhães de
Co-Advisor: Souza, Edmar Egídio Purcino de
Referee Member: Santos, Alexandre Bessa dos
Referee Member: Silva, Leandro Rodrigues Manso
Referee Member: Santos, Bárbara Maria Oliveira
Referee Member: Laforge, Bertrand
Resumo: A instrumentação eletrônica para experimentos de física de altas energias demanda sensores com elevada densidade de canais e precisão na aquisição de sinais. Neste contexto, o crosstalk surge como um fenômeno crítico, caracterizado pela interferência eletromagnética entre canais de leitura adjacentes, que degrada a estimativa de energia e tempo das partículas detectadas. Esta tese tem como objetivo principal o desenvolvimento de um ambiente computacional para simulação e estudo de métodos de mitigação de crosstalk em calorímetros eletromagnéticos, tomando como referência o calorímetro de argônio líquido (LAr) do experimento ATLAS. A metodologia empregada baseia-se na extensão do framework Lorenzetti Showers, no qual foram implementados módulos inéditos para a simulação do tempo de voo das partículas e para a modelagem do crosstalk em nível de sinal, considerando os acoplamentos capacitivo e indutivo. A partir deste ambiente, foram gerados conjuntos de dados compostos por elétrons de 50 GeV e eventos de decaimento Z → e −e +, com e sem a presença de ruído eletrônico, compondo eventos distribuídos em diferentes configurações geométricas de incidência dos chuveiros. Os resultados apresentados demonstram que a calibração do tempo de voo implementada removeu satisfatoriamente o viés temporal nas células, evidenciado pela convergência das distribuições de tempo para valores próximos de zero nas camadas EM1 e EM2. A simulação do crosstalk reproduziu as distorções esperadas nas formas de onda, resultando em vieses sistemáticos na reconstrução de energia e do tempo de voo. Para a mitigação desses efeitos, foram propostas e avaliadas arquiteturas de redes neurais do tipo perceptron multicamadas (MLP) com estratégias de otimização baseadas em erro quadrático médio (MSE) e erro quadrático médio normalizado (NMSE). Os modelos com uma camada oculta e 75 neurônios treinados com MSE, apresentaram os melhores compromissos entre desempenho e complexidade, alcançando coeficientes de determinação (R2 ) superiores a 0,95 para a energia reconstruída na célula central, enquanto o NMSE mostrou-se mais eficaz na recuperação de células periféricas com baixa relação sinal-ruído. Conclui-se que a plataforma desenvolvida constitui uma ferramenta robusta para investigação do crosstalk e que as abordagens de aprendizado de máquina propostas apresentam potencial para a correção seletiva dos sinais, orientando o desenvolvimento futuro de modelos que integrem a estimativa direta de energia e tempo à correção dos pulsos.
Abstract: Electronic instrumentation for high-energy physics experiments demands sensors with high channel density and precision in signal acquisition. In this context, crosstalk emerges as a critical phenomenon, characterized by electromagnetic interference between adjacent readout channels, which degrades the estimation of energy and time of detected particles. This thesis aims to develop a computational environment for simulating and studying crosstalk mitigation methods in electromagnetic calorimeters, using the ATLAS liquid argon (LAr) calorimeter as a reference. The methodology is based on extending the Lorenzetti Showers framework, in which novel modules were implemented for simulating particle time-of-flight and for modeling crosstalk at the signal level, considering capacitive and inductive couplings. From this environment, datasets were generated consisting of 50 GeV electrons and Z → e −e + decay events, with and without electronic noise, comprising events distributed across different geometric configurations of shower incidence. Preliminary results demonstrate that the implemented time-of-flight calibration satisfactorily removed the temporal bias in cells, evidenced by the convergence of time distributions to values close to zero in the EM1 and EM2 layers. The crosstalk simulation reproduced the expected waveform distortions, resulting in systematic biases in energy and time-of-flight reconstruction. To mitigate these effects, multilayer perceptron (MLP) neural network architectures were proposed and evaluated with optimization strategies based on mean squared error (MSE) and normalized mean squared error (NMSE). Models with one hidden layer and 75 neurons trained with MSE presented the best trade-off between performance and complexity, achieving determination coefficients (R2 ) above 0.95 for reconstructed energy in the central cell, while NMSE proved more effective in recovering peripheral cells with low signal-to-noise ratio. It is concluded that the developed platform constitutes a robust tool for crosstalk investigation and that the proposed machine learning approaches show potential for selective signal correction, guiding the future development of models that integrate direct energy and time estimation with pulse correction.
Keywords: Crosstalk
Calorímetro eletromagnético
ATLAS
Processamento de sinais
Aprendizagem de máquina
Simulação
Crosstalk
Electromagnetic calorimeter
Signal processing
Machine learning
Simulation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
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/21496
Issue Date: 21-Sep-2026
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Elétrica (Teses)



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