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Type: Trabalho de Conclusão de Curso
Title: Uso de autoencoders para análise de imagens no experimento CYGNO
Author: Esteves, Antonio Marchese Bravo
First Advisor: Nóbrega, Rafael Antunes
Referee Member: Cerqueira, Augusto Santiago
Referee Member: Paíns, Igor Fonseca
Resumo: O experimento CYGNO atua na detecção direta de matéria escura através de uma Câmara de Projeção Temporal (TPC) com leitura óptica baseada em sensores sCMOS de alta resolução. Embora ofereça excelente sensibilidade direcional, a tecnologia gera um fluxo massivo de dados em que a imensa maioria das imagens contém estritamente ruído eletrônico e óptico, o chamado pedestal. Para evitar o armazenamento inviável de dados irrelevantes, é fundamental o desenvolvimento de algoritmos de trigger online rápidos para filtrar o sinal de fundo e isolar Regiões de Interesse (ROIs) em tempo real. Este trabalho propõe e valida um filtro computacional baseado em aprendizado de máquina auto-supervisionado, utilizando uma arquitetura de Denoising Autoencoder (DAE) integralmente retreinada a partir do zero. O modelo extrai as características estocásticas do ruído ao ser alimentado com imagens corrompidas por anomalias sintéticas, sendo forçado a reconstruir apenas o pedestal limpo através de uma função de perda que pondera o Erro Quadrático Médio (MSE) e o Índice de Similaridade Estrutural (SSIM). Na fase de inferência, a operação subtrativa revela as assinaturas físicas reais destacadas no mapa de resíduos. Testes realizados com simulações Monte Carlo (GEANT4) demonstraram que a rede preserva a integridade morfológica dos rastros e assegura um Ganho de Relação Sinal-Ruído superior a 1, mesmo atuando no limite da sensibilidade do detetor em regimes de sub-keV (0.25 keV). Além disso, a etapa de supressão espacial reteve tipicamente menos de 10% da área da matriz em quadros com eventos válidos, convergindo o armazenamento de alarmes falsos a zero em amostras de ruído puro. Os resultados comprovam a alta capacidade discriminativa e de compressão do método, delineando como trabalhos futuros a análise sistemática do tempo de execução em hardware e a validação física utilizando sinais reais coletados pelo protótipo LIME.
Abstract: The CYGNO experiment focuses on the direct detection of dark matter using a Time Projection Chamber (TPC) with an optical readout based on high-resolution sCMOS sensors. While this technology offers excellent directional sensitivity, it generates a massive data stream in which the vast majority of images consist strictly of electronic and optical noise—referred to as the "pedestal." To avoid the impractical storage of irrelevant data, it is essential to develop fast, online trigger algorithms capable of filtering out background noise and isolating Regions of Interest (ROIs) in real time. This work proposes and validates a computational filter based on self-supervised machine learning, utilizing a Denoising Autoencoder (DAE) architecture trained entirely from scratch. The model learns the stochastic characteristics of the noise by being fed images corrupted with synthetic anomalies; it is then tasked with reconstructing only the clean pedestal, guided by a loss function that weights both the Mean Squared Error (MSE) and the Structural Similarity Index (SSIM). During the inference phase, a subtraction operation reveals the actual physical signatures, which are highlighted in the resulting residual map. Tests conducted using Monte Carlo simulations (GEANT4) demonstrated that the network preserves the morphological integrity of particle tracks and ensures a signal-to-noise ratio gain greater than 1, even when operating at the detector's sensitivity limit in the sub-keV regime (0.25 keV). Furthermore, the spatial suppression step typically retained less than 10% of the sensor array area in frames containing valid events, while reducing the storage of false positives to zero in samples consisting purely of noise. The results demonstrate the method's high discriminative and compression capacity, with future work to include a systematic analysis of execution time on hardware, as well as physical validation using real-world signals collected by the LIME prototype.
Keywords: Autoencoder
CYGNO
Matéria escura
Dark matter
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
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/21618
Issue Date: 13-Jul-2026
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