Published January 13, 2022 | Version v1
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Expansion of ATLAS at the LHC. QCD analyses beyond jets at the LHC. Final report

Description

Jets are traditionally considered and treated as central analysis objects at hadron accelerators such as the LHC. They affect virtually every analysis, be it searches for new physics or precision measurements in the Standard Model. In particular, ATLAS and CMS have huge data sets of jets with various partonic particles on which modern analysis methods can be developed and validated. In close cooperation with the latest international developments, this project has developed the description and simulation of jets and LHC events with jets using machine learning. Four central questions were addressed within the project: 1. How can jet data be analyzed directly, without going through high-level variables, using deep neural networks? 2. Can model-independent anomaly searches be developed using modern methods from artificial intelligence using jets? 3. Can we use generative neural networks to generate LHC events with a variable number of jets from the hard process and the QCD radiation? 4. Can this forward simulation be inverted in the sense of inverse problems to unfold detector effects and jet emission? Technically speaking, all applications of machine learning in particle physics focus on control over the networks and reliable error analysis. On the one hand, theory simulations were used as a traditional research area of the group, and on the other hand, in collaboration with local experts in the field of machine learning, Bayesian neural networks, for example, were established as a central tool. All these questions were addressed in close collaboration with experimental physics groups in Heidelberg and Hamburg. The most important results are that so-called jet taggers based on deep networks will indeed play a central role in future LHC analyses, and our studies on tagging top quarks play an important role in this development. Searching for anomalies is still a promising open question, with great potential in terms of event triggers and interesting aspects of symmetries and transformer networks. Event simulations with neural networks are established as an option, as are fast detector simulations, both using modern normalizing flow networks. In particular, these networks should lead to significant progress in unfolding in a conditional setup.

Abstract (German)

Jets werden traditionell als zentrale Analyse-Objekte an Hadron-Beschleunigern wie dem LHC betrachtet und behandelt. Sie betreffen praktisch jede Analyse, seien es Suchen nach neuer Physik oder Pr#Latin Small Letter A With Diaeresis#zisionsmessungen im Standardmodell. Insbesondere haben ATLAS und CMS riesige Datens#Latin Small Letter A With Diaeresis#tze von Jets mit verschiedenen partonischen Teilchen, an denen moderne Analysemethoden entwickelt und validiert werden k#Latin Small Letter O With Diaeresis#nnen. In enger Verzahnung mit neuesten internationalen Entwicklungen hat sich dieses Projekt der Beschreibung und Simulation von Jets und LHC-Events mit Jets mit Hilfe von maschinellem Lernen entwickelt. Vier zentrale Fragestellungen wurden im Rahmen des Projektes bearbeitet: 1. Wie k#Latin Small Letter O With Diaeresis#nnen Jet-Daten direkt, und ohne Umweg #Latin Small Letter U With Diaeresis#ber High-Level-Variablen mit Hilfe von tiefen neuronalen Netzen analysiert werden? 2. Lassen sich modellunabh#Latin Small Letter A With Diaeresis#ngige Anomalie-Suchen mit Hilfe moderner Methoden aus k#Latin Small Letter U With Diaeresis#nstlicher Intelligenz mit Hilfe von Jets entwickeln? 3. K#Latin Small Letter O With Diaeresis#nnen wir mit Hilfe von generativen neuronalen Netzen LHC-Events mit einer variablen Anzahl von Jets aus dem harten Prozess und der QCD-Abstrahlung generieren? 4. L#Latin Small Letter A With Diaeresis#sst sich diese Vorw#Latin Small Letter A With Diaeresis#rts-Simulation im Sinne inverser Probleme invertieren, um Detektor- Effekte und Jet-Abstrahlung zu unfolden? Technisch betrachtet steht bei allen Anwendungen von maschinellem Lernen in der Teilchenphysik die Kontrolle #Latin Small Letter U With Diaeresis#ber die Netzwerke und eine verl#Latin Small Letter A With Diaeresis#ssliche Fehleranalyse im Vordergrund. Hier wurden einerseits Theorie-Simulationen als traditionelles Forschungsgebiet der Gruppe genutzt, andererseits wurden in Zusammenarbeit mit lokalen Experten aus dem Bereich des maschinellen Lernens zum Beispiel neuronale Bayesian-Netze als zentrales Werkzeug etabliert. Alle diese Fragen wurden in enger Zusammenarbeit mit Experimentalphysik-Gruppen in Heidelberg und Hamburg bearbeitet. Die wichtigsten Ergebnisse sind, dass in der Tat sogenannte Jet-Tagger basierend auf tiefen Netzwerken eine zentrale Rolle in zuk#Latin Small Letter U With Diaeresis#nftigen LHC-Analysen spielen werden, und unsere Studien zum Tagging von Top-Quarks spiele bei dieser Entwicklung eine wichtige Rolle. Suchen nach Anomalien sind eine immer noch vielversprechende, offene Frage, mit gro#Latin Small Letter Sharp S#em Potential im Hinblick auf Event-Trigger und interessanten Aspekten zu Symmetrien und Transformer-Netzwerken. Event-Simulationen mit neuronalen Netzen sind als Option etabliert, ebenso wie schnelle Detektorsimulationen, beide mit Hilfe von modernen Normalizing-Flow-Netzwerken. Insbesondere sollten diese Netzwerke in einem Conditional-Setup zu erheblichem Fortschritt im Unfolding f#Latin Small Letter U With Diaeresis#hren.

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Original title (German)
Ausbau von ATLAS am LHC. QCD-Analysen jenseits von Jets am LHC. Schlussbericht

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