Event reconstruction for KM3NeT/ORCA using convolutional neural networks

S. Aiello; A. Albert; S. Alves Garre; Z. Aly; F. Ameli; M. Andre; G. Androulakis; M. Anghinolfi; M. Anguita; G. Anton; M. Ardid; J. Aublin; C. Bagatelas; G. Barbarino; B. Baret; S. Basegmez Du Pree; M. Bendahman; E. Berbee; A.M. van den Berg; V. Bertin; S. Biagi; A. Biagioni; M. Bissinger; M. Boettcher; J. Boumaaza; M. Bouta; M. Bouwhuis; C. Bozza; H. Brânzaş; R. Bruijn; J. Brunner; E. Buis; R. Buompane; J. Busto; B. Caiffi; D. Calvo; A. Capone; V. Carretero; P. Castaldi; S. Celli; M. Chabab; N. Chau; A. Chen; S. Cherubini; V. Chiarella; T. Chiarusi; M. Circella; R. Cocimano; J.A.B. Coelho; A. Coleiro; M. Colomer Molla; R. Coniglione; P. Coyle; A. Creusot; G. Cuttone; A. d'Onofrio; R. Dallier; M. de Palma; I. Di Palma; A.F. Díaz; D. Diego-Tortosa; C. Distefano; A. Domi; R. Donà; C. Donzaud; D. Dornic; M. Dörr; D. Drouhin; T. Eberl; A. Eddyamoui; T. van Eeden; D. van Eijk; I. El Bojaddaini; D. Elsaesser; A. Enzenhöfer; V. Espinosa Roselló; P. Fermani; G. Ferrara; M.D. Filipović; F. Filippini; L.A. Fusco; O. Gabella; T. Gal; A. Garcia Soto; F. Garufi; Y. Gatelet; N. Geisselbrecht; L. Gialanella; E. Giorgio; S.R. Gozzini; R. Gracia; K. Graf; D. Grasso; G. Grella; D. Guderian; C. Guidi; S. Hallmann; H. Hamdaoui; H. van Haren; A. Heijboer; A. Hekalo; J.J. Hernández-Rey; J. Hofestädt; F. Huang; W. Idrissi Ibnsalih; G. Illuminati; C.W. James; M. de Jong; P. de Jong; B.J. Jung; M. Kadler; P. Kalaczyński; O. Kalekin; U.F. Katz; N.R Khan Chowdhury; G. Kistauri; F. van Der Knaap; E.N. Koffeman; P. Kooijman; A. Kouchner; M. Kreter; V. Kulikovskiy; R. Lahmann; G. Larosa; R. Le Breton; O. Leonardi; F. Leone; E. Leonora; G. Levi; M. Lincetto; M. Lindsey Clark; T. Lipreau; A. Lonardo; F. Longhitano; D. Lopez-Coto; L. Maderer; J. Mańczak; K. Mannheim; A. Margiotta; A. Marinelli; C. Markou; L. Martin; J.A. Martínez-Mora; A. Martini; F. Marzaioli; S. Mastroianni; S. Mazzou; K.W. Melis; G. Miele; P. Migliozzi; E. Migneco; P. Mijakowski; L.S. Miranda; C.M. Mollo; M. Morganti; M. Moser; A. Moussa; R. Muller; M. Musumeci; L. Nauta; S. Navas; C.A. Nicolau; B. Ó Fearraigh; M. Organokov; A. Orlando; G. Papalashvili; R. Papaleo; C. Pastore; A.M. Păun; G.E. Păvălaş; C. Pellegrino; M. Perrin-Terrin; P. Piattelli; C. Pieterse; K. Pikounis; O. Pisanti; C. Poirè; V. Popa; M. Post; T. Pradier; G. Pühlhofer; S. Pulvirenti; O. Rabyang; F. Raffaelli; N. Randazzo; A. Rapicavoli; S. Razzaque; D. Real; S. Reck; G. Riccobene; M. Richer; S. Rivoire; A. Rovelli; F. Salesa Greus; D.F.E. Samtleben; A. Sánchez Losa; M. Sanguineti; A. Santangelo; D. Santonocito; P. Sapienza; J. Schnabel; J. Seneca; I. Sgura; R. Shanidze; A. Sharma; F. Simeone; A. Sinopoulou; B. Spisso; M. Spurio; D. Stavropoulos; J. Steijger; S.M. Stellacci; M. Taiuti; Y. Tayalati; E. Tenllado; T. Thakore; S. Tingay; E. Tzamariudaki; D. Tzanetatos; V. van Elewyck; G. Vannoye; George Vasileiadis; F. Versari; S. Viola; D. Vivolo; G. de Wasseige; J. Wilms; R. Wojaczyński; E. de Wolf; D. Zaborov; S. Zavatarelli; A. Zegarelli; D. Zito; J.D. Zornoza; J. Zúñiga; N. Zywucka

doi:10.1088/1748-0221/15/10/P10005

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Event reconstruction for KM3NeT/ORCA using convolutional neural networks

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Peer reviewed

Event reconstruction for KM3NeT/ORCA using convolutional neural networks

S. Aiello, A. Albert, S. Alves Garre, Z. Aly, F. Ameli, M. Andre, G. Androulakis, M. Anghinolfi, M. Anguita, G. Anton, …

Journal of Instrumentation, Vol.15(10)

2020

DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/10/P10005

Abstract

Cherenkov detectors

Large detector systems for particle and astroparticle physics

Neutrino detectors

Performance of High Energy Physics Detectors

neutrino: detector

neutrino: interaction

neutrino: atmosphere

neutrino: mass

radiation: Cherenkov

vertex: primary

KM3NeT

neural network

Cherenkov counter: water

performance

spatial distribution

charged particle

photomultiplier

background

network

The KM3NeT research infrastructure is currently under construction at two locations in the Mediterranean Sea. The KM3NeT/ORCA water-Cherenkov neutrino detector off the French coast will instrument several megatons of seawater with photosensors. Its main objective is the determination of the neutrino mass ordering. This work aims at demonstrating the general applicability of deep convolutional neural networks to neutrino telescopes, using simulated datasets for the KM3NeT/ORCA detector as an example. To this end, the networks are employed to achieve reconstruction and classification tasks that constitute an alternative to the analysis pipeline presented for KM3NeT/ORCA in the KM3NeT Letter of Intent. They are used to infer event reconstruction estimates for the energy, the direction, and the interaction point of incident neutrinos. The spatial distribution of Cherenkov light generated by charged particles induced in neutrino interactions is classified as shower- or track-like, and the main background processes associated with the detection of atmospheric neutrinos are recognized. Performance comparisons to machine-learning classification and maximum-likelihood reconstruction algorithms previously developed for KM3NeT/ORCA are provided. It is shown that this application of deep convolutional neural networks to simulated datasets for a large-volume neutrino telescope yields competitive reconstruction results and performance improvements with respect to classical approaches.

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Details

Title: Event reconstruction for KM3NeT/ORCA using convolutional neural networks
Creators - without role: S. Aiello - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
A. Albert - Université de Haute-Alsace
S. Alves Garre
Z. Aly - Centre National de la Recherche Scientifique
F. Ameli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
M. Andre - Cidete
G. Androulakis - Institute of Nuclear and Particle Physics
M. Anghinolfi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
M. Anguita - Universidad de Granada
G. Anton - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
M. Ardid - Universitat Politècnica de València
J. Aublin - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
C. Bagatelas - Institute of Nuclear and Particle Physics
G. Barbarino - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
B. Baret - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
S. Basegmez Du Pree
M. Bendahman - Mohammed V University
E. Berbee - National Institute for Subatomic Physics
A.M. van den Berg - University of Groningen
V. Bertin - Aix-Marseille Université
S. Biagi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
A. Biagioni - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
M. Bissinger - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
M. Boettcher - North-West University
J. Boumaaza - Mohammed V University
M. Bouta - Mohamed I University
M. Bouwhuis - National Institute for Subatomic Physics
C. Bozza - University of Salerno
H. Brânzaş - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
R. Bruijn - University of Amsterdam
J. Brunner - Centre National de la Recherche Scientifique
E. Buis - Netherlands Organisation for Applied Scientific Research
R. Buompane - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
J. Busto - Aix-Marseille Université
B. Caiffi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
D. Calvo - Universitat de València
A. Capone - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
V. Carretero - Instituto de Física Corpuscular
P. Castaldi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
S. Celli - Gran Sasso Science Institute
M. Chabab - Cadi Ayyad University
N. Chau - AstroParticule et Cosmologie
A. Chen - University of the Witwatersrand
S. Cherubini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
V. Chiarella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
T. Chiarusi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
M. Circella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
R. Cocimano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
J.A.B. Coelho - Université Paris Cité
A. Coleiro - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
M. Colomer Molla - AstroParticule et Cosmologie
R. Coniglione - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
P. Coyle - Centre National de la Recherche Scientifique
A. Creusot - Université Paris Cité
G. Cuttone - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
A. d'Onofrio
R. Dallier - Centre National de la Recherche Scientifique
M. de Palma - University of Bari Aldo Moro
I. Di Palma - Sapienza University of Rome
A.F. Díaz - Universidad de Granada
D. Diego-Tortosa - Universitat Politècnica de València
C. Distefano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
A. Domi - Aix-Marseille Université
R. Donà - University of Bologna
C. Donzaud - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
D. Dornic - Aix-Marseille Université
M. Dörr - University of Würzburg
D. Drouhin - Université de Haute-Alsace
T. Eberl - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Eddyamoui - Mohammed V University
T. van Eeden - National Institute for Subatomic Physics
D. van Eijk - National Institute for Subatomic Physics
I. El Bojaddaini
D. Elsaesser - Fischer
A. Enzenhöfer - Aix-Marseille Université
V. Espinosa Roselló - Universitat Politècnica de València
P. Fermani - Sapienza University of Rome
G. Ferrara - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
M.D. Filipović - Western Sydney University
F. Filippini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
L.A. Fusco - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
O. Gabella - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
T. Gal - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Garcia Soto
F. Garufi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
Y. Gatelet - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
N. Geisselbrecht
L. Gialanella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
E. Giorgio - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
S.R. Gozzini - Instituto de Física Corpuscular
R. Gracia - National Institute for Subatomic Physics
K. Graf - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
D. Grasso - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
G. Grella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Gruppo Collegato di Salerno
D. Guderian - University of Münster
C. Guidi - University of Genoa
S. Hallmann - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
H. Hamdaoui - Mohammed V University
H. van Haren - Royal Netherlands Institute for Sea Research
A. Heijboer - National Institute for Subatomic Physics
A. Hekalo - Fischer
J.J. Hernández-Rey
J. Hofestädt - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
F. Huang - Université de Strasbourg
W. Idrissi Ibnsalih - University of Campania "Luigi Vanvitelli"
G. Illuminati - Universitat de València
C.W. James - Curtin University
M. de Jong - National Institute for Subatomic Physics
P. de Jong - University of Amsterdam
B.J. Jung - National Institute for Subatomic Physics
M. Kadler - University of Würzburg
P. Kalaczyński - National Centre for Nuclear Research
O. Kalekin - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
U.F. Katz - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
N.R Khan Chowdhury
G. Kistauri - Tbilisi State University
F. van Der Knaap - Netherlands Organisation for Applied Scientific Research
E.N. Koffeman - National Institute for Subatomic Physics
P. Kooijman - University of Amsterdam
A. Kouchner - Centre National de la Recherche Scientifique
M. Kreter - North-West University
V. Kulikovskiy - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
R. Lahmann - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
G. Larosa - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
R. Le Breton - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
O. Leonardi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
F. Leone - University of Catania
E. Leonora - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
G. Levi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
M. Lincetto - Aix-Marseille Université
M. Lindsey Clark - AstroParticule et Cosmologie
T. Lipreau - Nantes Université
A. Lonardo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
F. Longhitano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
D. Lopez-Coto - Universidad de Granada
L. Maderer - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
J. Mańczak - Universitat de València
K. Mannheim - University of Würzburg
A. Margiotta - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
A. Marinelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
C. Markou - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
L. Martin - Nantes Université
J.A. Martínez-Mora - Universitat Politècnica de València
A. Martini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
F. Marzaioli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
S. Mastroianni - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
S. Mazzou - Cadi Ayyad University
K.W. Melis - National Institute for Subatomic Physics
G. Miele - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
P. Migliozzi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
E. Migneco - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
P. Mijakowski - National Centre for Nuclear Research
L.S. Miranda - University of Johannesburg
C.M. Mollo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
M. Morganti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
M. Moser - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Moussa - Mohamed I University
R. Muller - National Institute for Subatomic Physics
M. Musumeci - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
L. Nauta - National Institute for Subatomic Physics
S. Navas - Universidad de Granada
C.A. Nicolau - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
B. Ó Fearraigh
M. Organokov - Centre National de la Recherche Scientifique
A. Orlando - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
G. Papalashvili - Tbilisi State University
R. Papaleo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
C. Pastore - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
A.M. Păun - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
G.E. Păvălaş - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
C. Pellegrino - University of Bologna
M. Perrin-Terrin - Centre National de la Recherche Scientifique
P. Piattelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
C. Pieterse - Instituto de Física Corpuscular
K. Pikounis - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
O. Pisanti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
C. Poirè - Universitat Politècnica de València
V. Popa - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
M. Post - University of Amsterdam
T. Pradier - Centre National de la Recherche Scientifique
G. Pühlhofer - University of Tübingen
S. Pulvirenti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
O. Rabyang - North-West University
F. Raffaelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
N. Randazzo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
A. Rapicavoli - University of Catania
S. Razzaque - University of Johannesburg
D. Real - Universitat de València
S. Reck - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
G. Riccobene - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
M. Richer - Centre National de la Recherche Scientifique
S. Rivoire - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
A. Rovelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
F. Salesa Greus
D.F.E. Samtleben - National Institute for Subatomic Physics
A. Sánchez Losa
M. Sanguineti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
A. Santangelo - University of Tübingen
D. Santonocito - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
P. Sapienza - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
J. Schnabel - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
J. Seneca - National Institute for Subatomic Physics
I. Sgura - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
R. Shanidze - Tbilisi State University
A. Sharma - University of Pisa
F. Simeone - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
A. Sinopoulou - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
B. Spisso - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
M. Spurio - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
D. Stavropoulos - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
J. Steijger - National Institute for Subatomic Physics
S.M. Stellacci - University of Salerno
M. Taiuti - University of Genoa
Y. Tayalati - Mohammed V University
E. Tenllado - Universidad de Granada
T. Thakore - Instituto de Física Corpuscular
S. Tingay - International Centre for Radio Astronomy Research
E. Tzamariudaki - Institute of Nuclear and Particle Physics
D. Tzanetatos - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
V. van Elewyck - Institut Universitaire de France
G. Vannoye - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
George Vasileiadis - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
F. Versari - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
S. Viola - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
D. Vivolo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
G. de Wasseige - Université Paris Cité
J. Wilms - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
R. Wojaczyński - National Centre for Nuclear Research
E. de Wolf - National Institute for Subatomic Physics
D. Zaborov - Aix-Marseille Université
S. Zavatarelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
A. Zegarelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
D. Zito - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
J.D. Zornoza - Instituto de Física Corpuscular
J. Zúñiga - Instituto de Física Corpuscular
N. Zywucka - North-West University
Publication Details: Journal of Instrumentation, Vol.15(10)
Identifiers: 9933903509311
Academic Unit: Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
Language: English
Resource Type: Journal article
Local Fields: hal-03178773