Published November 16, 2022 | Version v1
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New Small Wheel Muon Detector Trigger Processor Hardware and Beyond Standard Model Searches Using Machine Learning Techniques in the ATLAS Experiment at LHC

Description

The Standard Model of particle physics represents the culmination of human understanding in terms of the fundamental building blocks of the universe and how they interact at a fundamental level. Yet, it is still missing several pieces such as solutions for the gauge hierarchy problem, and the mechanisms behind neutrino masses and dark matter candidates, all of which require new physics and Beyond Standard Model (BSM) theories. Pushing those frontiers implies constant improvements both in the experimental capabilities and theoretical understanding of the High-Energy Particle Physics (HEPP) scientific community. While the last breakthrough on this front was arguably one decade ago with the discovery of the Higgs boson, those last 10 years brought explosive growth in terms of technological development in scientific computation, both on the hardware and software side. Machine Learning (ML) methods have seen widespread adoption and success across many fields, aided by the increasingly better performing Graphics Processing Unit (GPU) hardware acceleration. This Ph.D. research aims to study the potential effectiveness of applying Neural Network (NN) implementations to improve different areas of HEPP. On the detector side, I focused on evaluating the feasibility of hardware-level trigger for the newly installed ATLAS New Small Wheel (NSW) end-cap muon detector. The Trigger Processor (TP) operates in-situ on Field-Programmable Gate Array (FPGA) hardware within a 200 ns time budget allowed for making a Level-0 (L0) trigger decision. Those are very stringent requirements and considering how resource-hungry NN-inference is, the model was designed specifically to mitigate those inherent limitations. In the end, a Convolutional Neural Network (CNN) approach was chosen to interpret hits from the NSW's eight MicroMegas (MM) detector planes and trained to output quantities related to the likelihood for a muon track to originate from the interaction point (IP). The second main topic of this thesis involves the exploration of unsupervised learning as a means to model-agnostic BSM searches. Provided access to data generated by well-understood SM processes, a NN is trained to compress the events into a lower-dimensional representation and use it to reconstruct the original input. This type of model is called Auto-encoder (AE), and a high error of an event's reconstruction is a potential indicator that the event is not part of the same distribution as the training data, namely SM data. Combining such a model with NN-based density estimation results in an ensemble called Probabilistic Auto-encoder (PAE) and this represented the central technique employed in this research. The PAE was tested as a potential tool for identifying new physics in a model-independent way in the context of jet physics and showed promising results. (author)

Abstract (French)

Le modele standard de la physique des particules represente le point culminant de la comprehension humaine en termes de blocs de construction fondamentaux de l'univers et de leur interaction a un niveau fondamental. Pourtant, il lui manque encore plusieurs pieces, comme les solutions au probleme de la hierarchie de jauge, les mecanismes a l'origine des masses des neutrinos et les candidats a la matiere noire, qui necessitent tous une nouvelle physique et des theories au-dela du modele standard (BSM). Repousser ces frontieres implique une amelioration constante des capacites experimentales et de la comprehension theorique de la communaute scientifique de la physique des particules a haute energie (HEPP). Si la derniere percee sur ce front remonte sans doute a une decennie avec la decouverte du boson de Higgs, ces dix dernieres annees ont ete marquees par une croissance explosive en termes de developpement technologique dans le domaine du calcul scientifique, tant du point de vue materiel que logiciel. Les methodes d'apprentissage automatique (ML) ont ete largement adoptees et ont connu un grand succes dans de nombreux domaines, grace a l'acceleration materielle de plus en plus performante des unites de traitement graphique (GPU). Cette recherche de doctorat vise a etudier l'efficacite potentielle de l'application de mises en oeuvre de reseaux neuronaux (NN) pour ameliorer differents domaines de HEPP. Du cote des detecteurs, je me suis concentre sur l'evaluation de la faisabilite du declenchement au niveau hardware pour le detecteur de muons ATLAS 'New Small Wheel' (NSW) recemment installe. Le processeur de declenchement (TP) fonctionne in situ sur du hardware FPGA (Field-Programmable Gate Array) avec un budget temps de 200 ns pour prendre une decision de declenchement de niveau 0 (L0). Il s'agit d'exigences tres strictes et, compte tenu du fait que l'inference NN est gourmande en ressources, le modele a ete concu specifiquement pour attenuer ces limitations inherentes. En fin de compte, une approche de reseau neuronal convolutif (CNN) a ete choisie pour interpreter les resultats des huit plans de detection MicroMegas (MM) du NGS et entrainee a produire des quantites liees a la probabilite qu'une piste de muons provienne du point d'interaction (IP). Le second sujet principal de cette these concerne l'exploration de l'apprentissage non supervise comme moyen de recherche de BSM agnostique. En ayant acces aux donnees generees par des processus SM bien compris, un NN est entraine a comprimer les evenements dans une representation de plus faible dimension et a l'utiliser pour reconstruire l'entree originale. Ce type de modele est appele Autoencodeur (AE), et une erreur elevee de reconstruction d'un evenement est un indicateur potentiel que l'evenement ne fait pas partie de la meme distribution que les donnees d'apprentissage. de la meme distribution que les donnees d'apprentissage, a savoir les donnees SM. La combinaison d'un tel modele avec l'estimation de densite basee sur les reseaux neuronaux donne un ensemble appele autoencodeur probabiliste (PAE), qui represente la technique centrale employee dans cette recherche. Le PAE a ete teste en tant qu'outil potentiel pour identifier une nouvelle physique de maniere independante du modele dans le contexte de la physique des jets et a donne des resultats prometteurs. (auteur)

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Original title (English)
Processeur de declenchement du detecteur de muons 'New Small Wheel' et recherches au-dela du modele standard a l'aide de techniques d'apprentissage automatique dans l'experience ATLAS au LHC

Publishing Information

Imprint Pagination
212 p.
Report number
FRNC-TH--14838

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