Machine Learning for Simulation of High-Energy Collisions at the LHC

• Grant number: 26/06897-2
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Technical Training Program - Technical Training
• Start date: May 01, 2026
• End date: April 30, 2027
• Field of knowledge: Physical Sciences and Mathematics - Physics - Elementary Particle Physics and Fields
• Principal Investigator: Thiago Rafael Fernandez Perez Tomei
• Grantee: Bruno Lopes da Costa
• Host Institution: Núcleo de Computação Científica (NCC). Universidade Estadual Paulista (UNESP). Campus de São Paulo. São Paulo , SP, Brazil
• Associated research grant: 22/02950-5 - Computing challenges for the CMS phase-II upgrade, AP.PNGP.PI

Abstract

O Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN será atualizado para a versão de Alta Luminosidade (HL-LHC) a partir de 2026, aumentando as taxas de interação por um fator de 7,5 mas com a desvantagem de gerar até 200 colisões simultâneas de próton-próton por evento. A simulação de eventos de colisão, atualmente realizada com o framework Geant4, é precisa, mas pode levar minutos por evento e será proibitivamente lenta para os bilhões de eventos necessários.Os Fluxos Normalizadores (Normalizing Flows -- NFs) e o Flow Matching surgiram recentemente como poderosos modelos generativos de inteligência artificial generativos para simulações rápidas. Um trabalho recente demonstrou que NFs contínuos treinados com Flow Matching podem realizar simulações de ponta a ponta, aprendendo diretamente o mapeamento P(RECO|GEN) das entradas do gerador e gerando dados prontos para análise a uma taxa de múltiplos kHz por objeto em uma única GPU, reproduzindo a complexa resposta do detector.Neste projeto, o bolsista desenvolverá modelos de NF e Flow Matching para simulação rápida de ponta a ponta no HL-LHC, comparando sistematicamente arquiteturas discretas e contínuas, implementando técnicas de reamostragem com tratamento estatístico adequado e comparando resultados em relação à simulação convencional. O trabalho se baseará no bem-sucedido protótipo FlashSim utilizado pela colaboração Compact Muon Solenoid (CMS). (AU)