Published November 13, 2020 | Version v1
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Simulation of the ATLAS Electromagnetic Calorimeter using Generative Adversarial Networks and Likelihood-Free Inference of the Offshell Higgs Boson Couplings at the LHC

Description

Since the discovery of the Higgs boson in 2012, experiments at the LHC have been testing Standard Model predictions with high precision measurements. Measurements of the off-shell couplings of the Higgs boson will remove certain degeneracies that cannot be resolved with the current on-shell measurements, such as probing the Higgs boson width, which may lead to hints for new physics. One part of this thesis focuses on the measurement of the off-shell couplings of the Higgs boson produced by vector boson fusion and decaying to four leptons. This decay channel provides a unique opportunity to probe the Higgs in its off-shell regime due to enhanced cross-sections beyond 2Mz (twice the mass of the Z boson) region of the four lepton mass. The significant quantum interference between the signal and background processes renders the concept of 'class labels' ill-defined, and poses a challenge to traditional methods and generic machine learning classification models used to optimise a signal strength measurement. A new family of machine learning based likelihood-free inference strategies, which leverage additional information that can be extracted from the simulator, were adapted to a signal strength measurement problem. The study shows promising results compared to baseline techniques on a fast simulated Delphes dataset. Also introduced in this context is the aspiration network, an improved adversarial algorithm for training while maintaining invariance with respect to chosen features. Measurements in the ATLAS experiment rely on large amounts of precise simulated data. The current Geant4 simulation software is computationally too expensive to sustain the large amount of simulated data required for planned future analyses. The other part of this thesis focuses on a new approach to fast simulation using a Generative Adversarial Network (GAN). The cascading shower simulation of the complex ATLAS calorimeter is the slowest part of the simulation chain using Geant4. Replacing it with a neural network that has learnt the probability distribution of the particle showers as a function of the incident particle properties and local detector geometry increases the simulation speed by several orders of magnitude, even on single core CPUs, and opens to door the further speed up on GPUs. The integration into the ATLAS software allows for the first time to make realistic comparisons to hand-designed fast simulation frameworks. The study is performed on a small section of the detector (0.20 < |η| < 0.25) using photons and compares distributions using samples simulated by the model standalone as well as after integration into the ATLAS software against fully simulated Geant4 samples. Important lessons on the merits and demerits of various strategies, benefit the ultimate goal of simulating the entire ATLAS calorimeter with a few deep generative models. The study also reveals an inherent problem with the popular gradient penalty based Wasserstein GAN, and proposes a solution. (author)

Abstract (French)

Depuis la decouverte du boson de Higgs en 2012, les experiences du LHC testent les previsions du modele standard avec des mesures de haute precision. Les mesures des couplages du boson de Higgs hors resonance permettront d'eliminer certaines degenerescences qui ne peuvent pas etre resolues avec les mesures sur resonance, comme la sonde de la largeur du boson de Higgs, ce qui pourrait donner des indications pour la nouvelle physique. Une partie de cette these se concentre sur la mesure des couplages hors resonance du boson de Higgs produit par la fusion du boson vecteur et se decomposant en quatre leptons. Ce canal de desintegration offre une occasion unique de sonder le boson de Higgs dans son regime hors resonance grace a des sections efficaces augmentees au-dela de 2Mz (deux fois la masse du boson Z) de la region des quatre leptons. L'importante interference quantique entre le signal et les processus de fond rend le concept d''etiquettes de classe' mal defini, et pose un defi aux methodes traditionnelles et aux modeles generiques de classification par apprentissage machine utilises pour optimiser une mesure de la force du signal. Une nouvelle famille de strategies d'inference sans fonction de vraisemblance basees sur l'apprentissage machine, qui exploitent des informations supplementaires pouvant etre extraites du simulateur, a ete adaptee a un probleme de mesure de la force du signal. L'etude montre des resultats prometteurs par rapport aux techniques de base sur un ensemble de donnees de simulation rapide avec Delphes. Dans ce contexte, on a egalement introduit le reseau aspiration, un algorithme d'adverse ameliore pour la formation tout en maintenant l'invariance par rapport aux caracteristiques choisies. Les mesures de l'experience ATLAS reposent sur de grandes quantites de donnees simulees precisemment. Le logiciel de simulation actuel de Geant4 est trop couteux en termes de calculs pour supporter la grande quantite de donnees simulees necessaires aux analyses futures prevues. Autre partie de cette these se concentre sur une nouvelle approche de la simulation rapide utilisant un reseau adverse generatif (GAN). La simulation de gerbe en cascade du calorimetre complexe d'ATLAS est la partie la plus lente de la chaine de simulation utilisant Geant4. Son remplacement par un reseau de neurones qui a appris la distribution de probabilite des gerbes de particules en fonction des proprietes des particules incidentes et de la geometrie locale du detecteur augmente la vitesse de simulation de plusieurs ordres de grandeur, meme sur des CPU a coeur unique, et ouvre la porte a une acceleration supplementaire sur les GPU. L'integration dans le logiciel ATLAS permet pour la premiere fois de faire des comparaisons realistes avec des simulation rapide parametrees 'a la main'. L'etude est realisee sur une petite section du detecteur (0,20 < |η| < 0,25) en utilisant des photons et compare les distributions en utilisant des echantillons simules par le modele autonome ainsi qu'apres integration dans le logiciel ATLAS avec des echantillons Geant4 entierement simules. Des lecons importantes sur les merites et les inconvenients des differentes strategies, profitent a l'objectif ultime de simuler l'ensemble du calorimetre ATLAS avec des modeles generateurs profonds. L'etude revele egalement un probleme inherent a le GAN de Wasserstein base sur une penalite de gradient, et propose une solution. (auteur)

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Original title (English)
Simulation du calorimetre electromagnetique de ATLAS a l'aide de Reseaux Antagonistes Generatifs et mesure au LHC des couplages du boson de Higgs hors resonance par inference sans Fonction de Vraisemblance

Publishing Information

Imprint Pagination
223 p.
Report number
FRNC-TH--12720

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
53042138
Subject category
S72: PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ATLAS DETECTOR; COMPUTERIZED SIMULATION; DATA ANALYSIS; HIGGS BOSONS; PARTICLE DECAY; SHOWER COUNTERS
Descriptors DEC
BOSONS; DATA PROCESSING; DECAY; ELEMENTARY PARTICLES; MEASURING INSTRUMENTS; PROCESSING; RADIATION DETECTORS; SIMULATION

Optional Information

Notes
136 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses