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Particle classification in the LAGO water Cherenkov detectors using clustering algorithms

cnea.tipodocumentoARTÍCULO CIENTÍFICO
dc.contributor.authorTorres Peralta, Ticiano Jorge
dc.contributor.authorMolina, Maria Graciela
dc.contributor.authorOtiniano, L.
dc.contributor.authorAsorey, Hernán Gonzalo
dc.contributor.authorSidelnik, Iván Pedro
dc.contributor.authorTaboada, A.
dc.contributor.authorMayo García, R.
dc.contributor.authorRubi Montero, A. J.
dc.contributor.authorDasso, Sergio Ricardo
dc.date.accessioned2025-12-11T23:20:33Z
dc.date.available2025-12-11T23:20:33Z
dc.date.issued2023-10
dc.description.abstractThe Latin American Giant Observatory (LAGO) is a ground-based observatory studying solar or high-energy astrophysics transient events. LAGO takes advantage of its distributed network of Water Cherenkov Detectors (WCDs) in Latin America as a tool to measure the secondary particle flux reaching the ground. These secondary particles are produced during the interaction between the modulated cosmic rays flux and the atmosphere. The LAGO WCDs are sensitive to secondary charged particles, high energy photons through pair creation and Compton scattering, and even neutrons thanks to, e.g., the deuteration of protons in the water volume. The pulse shape generated by these particles depends on several factors, such as the detector geometry, the water purity, the sensor response, or the reflectivity and diffusivity of the inner coating. Due to the decentralized nature of LAGO, these properties are different for each node. Additionally, the pulse shape depends on the convolution between the response of the central photomultiplier (PMT) to individual photons and the time distribution of the Cherenkov photons reaching the PMT. Typically, a WCD gives pulses with a sharp rise time (∼10ns) and a longer decay time (∼70ns). In this work, the WCD data used is acquired using the original LAGO data-acquisition system that digitizes pulses at a sampling rate of 40 MHz and 10 bits resolution on time windows of 400ns. Here, we apply unsupervised machine learning techniques to find patterns in the WCDs data and subsequently create groups, through clustering, that can be used to provide particle separation. We use data acquired from an individual WCD, showing that density-based clustering algorithms are suitable for automatic particle separation producing good candidate groups. Improved separation would help LAGO to reconstruct in situ the properties of primary cosmic rays flux. These results open the possibility to deploy machine learning-based models in our distributed detection network for onboard data analysis as an operative prototype, allowing detectors to be installed at very remote sites.
dc.description.institutionalaffiliationFil: Torres Peralta, Ticiano Jorge. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología; Argentina
dc.description.institutionalaffiliationFil: Molina, Maria Graciela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología; Argentina. Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia; Italia
dc.description.institutionalaffiliationFil: Otiniano, L.. Comisión Nacional de Investigación y Desarrollo Aeroespacial; Perú
dc.description.institutionalaffiliationFil: Asorey, Hernán Gonzalo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina
dc.description.institutionalaffiliationFil: Sidelnik, Iván Pedro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Gerencia de Ingeniería Nuclear (CAB). División Neutrones y Reactores; Argentina
dc.description.institutionalaffiliationFil: Taboada, A.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas; Argentina
dc.description.institutionalaffiliationFil: Mayo García, R.. Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas;
dc.description.institutionalaffiliationFil: Rubi Montero, A. J.. Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas;
dc.description.institutionalaffiliationFil: Dasso, Sergio Ricardo. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; Argentina
dc.identifier.issn0168-9002
dc.identifier.urihttps://nuclea.cnea.gob.ar/handle/20.500.12553/8137
dc.publisherElsevier Science
dc.relationinfo:eu-repo/semantics/reference/hdl/11336/224332
dc.relationinfo:eu-repo/semantics/altIdentifier/url/https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168900223005478
dc.relationinfo:eu-repo/semantics/altIdentifier/doi/https://doi.org/10.1016/j.nima.2023.168557
dc.rights.licenseinfo:eu-repo/semantics/embargoedAccess
dc.rights.licensehttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar/
dc.rights.license2024-04-19
dc.subjectCLUSTERING
dc.subjectMACHINE LEARNING
dc.subjectOPTICS
dc.subjectWATER CHERENKOV DETECTOR
dc.subjectFísica Atómica, Molecular y Química
dc.subjectCiencias Físicas
dc.subjectCIENCIAS NATURALES Y EXACTAS
dc.subjectFísica de Partículas y Campos
dc.subjectCiencias Físicas
dc.subjectCIENCIAS NATURALES Y EXACTAS
dc.titleParticle classification in the LAGO water Cherenkov detectors using clustering algorithms
dc.typeARTÍCULO
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