Estimação de energia para calorímetros finamente segmentados operando em condições severas de empilhamento de sinais

Abstract

Problemas de estimação de sinais são comuns em diversas áreas da engenharia, nas quais modelos matemáticos são utilizados para calcular parâmetros específicos e, assim, analisar propriedades dos sinais. Em calorimetria de altas energias, por exemplo, a energia de uma partícula é absorvida e amostrada pela eletrônica de leitura, gerando um pulso cuja amplitude é proporcional à energia depositada. Entretanto, em condições de alta taxa de eventos e alta luminosidade — como as observadas no Large Hadron Collider, operado no CERN — o sinal amostrado pode conter contribuições de colisões adjacentes, causando o efeito de empilhamento de sinais (pile-up) e dificultando a estimação da amplitude do sinal de interesse. Nesse cenário, modelos determinísticos tradicionalmente utilizados para estimação da amplitude tornam-se inadequados em níveis severos de empilhamento. Para contornar esse problema, este trabalho propõe um método de estimação de amplitude (energia) baseado na teoria do Filtro de Wiener-Hopf, que dispensa a necessidade de um modelo determinístico para representar os sinais. Para avaliar a eficiência da abordagem proposta, foi desenvolvida uma ferramenta de simulação de sinais e gerados conjuntos de dados considerando o calorímetro de telhas (TileCal) do ATLAS experiment operando em diferentes condições de empilhamento. Além disso, também foram utilizados dados reais obtidos durante a operação nominal do LHC. Os resultados mostram que a abordagem proposta supera métodos atualmente utilizados em cenários de empilhamento severo, proporcionando ganhos de aproximadamente 30% na dispersão do erro de estimação tanto para dados simulados quanto para dados reais. Para cenários de baixa e média ocupação, porém, métodos alternativos ainda apresentam melhor desempenho.