Neutrino interaction classification with a convolutional neural network in the DUNE far detector

Creators: Abi, B.; Acciarri, R.; Acero, M. A.; Adamov, G.; Adams, D.; Adinolfi, M.; Ahmad, Z.; Ahmed, J.; Alion, T.; Alonso Monsalve, S.; Alt, C.; Anderson, J.; Andreopoulos, C.; Andrews, M. P.; Andrianala, F.; Andringa, S.; Ankowski, A.; Antonova, M.; Antusch, S.; Aranda-Fernandez, A.; Ariga, A.; Arnold, L. O.; Arroyave, M. A.; Asaadi, J.; Aurisano, A.; Aushev, V.; Autiero, D.; Azfar, F.; Back, H.; Back, J. J.; Backhouse, C.; Baesso, P.; Bagby, L.; Bajou, R.; Balasubramanian, S.; Baldi, P.; Bambah, B.; Barao, F.; Barenboim, G.; Barker, G. J.; Barkhouse, W.; Barnes, C.; Barr, G.; Barranco Monarca, J.; Barros, N.; Barrow, J. L.; Bashyal, A.; Basque, V.; Bay, F.; Bazo Alba, J. L.; Beacom, J. F.; Bechetoille, E.; Behera, B.; Bellantoni, L.; Bellettini, G.; Bellini, V.; Beltramello, O.; Belver, D.; Benekos, N.; Bento Neves, F.; Berger, J.; Berkman, S.; Bernardini, P.; Berner, R. M.; Berns, H.; Bertolucci, S.; Betancourt, M.; Bezawada, Y.; Bhattacharjee, M.; Bhuyan, B.; Biagi, S.; Bian, J.; Biassoni, M.; Biery, K.; Bilki, B.; Bishai, M.; Bitadze, A.; Blake, A.; Blanco Siffert, B.; Blaszczyk, F. D. M.; Blazey, G. C.; Blucher, E.; Boissevain, J.; Bolognesi, S.; Bolton, T.; Bonesini, M.; Bongrand, M.; Bonini, F.; Booth, A.; Booth, C.; Bordoni, S.; Borkum, A.; Boschi, T.; Bostan, N.; Bour, P.; Boyd, S. B.; Boyden, D.; Bracinik, J.; Braga, D.; Brailsford, D.; Brandt, A.; Bremer, J.; Brew, C.; Brianne, E.; Brice, S. J.; Brizzolari, C.; Bromberg, C.; Brooijmans, G.; Brooke, J.; Bross, A.; Brunetti, G.; Buchanan, N.; Budd, H.; Caiulo, D.; Calafiura, P.; Calcutt, J.; Calin, M.; Calvez, S.; Calvo, E.; Camilleri, L.; Caminata, A.; Campanelli, M.; Caratelli, D.; Carini, G.; Carlus, B.; Carniti, P.; Caro Terrazas, I.; Carranza, H.; Castillo, A.; Castromonte, C.; Cattadori, C.; Cavalier, F.; Cavanna, F.; Centro, S.; Cerati, G.; Cervelli, A.; Cervera Villanueva, A.; Chalifour, M.; Chang, C.; Chardonnet, E.; Chatterjee, A.; Chattopadhyay, S.; Chaves, J.; Chen, H.; Chen, M.; Chen, Y.; Cherdack, D.; Chi, C.; Childress, S.; Chiriacescu, A.; Cho, K.; Choubey, S.; Christensen, A.; Christian, D.; Christodoulou, G.; Church, E.; Clarke, P.; Coan, T. E.; Cocco, A. G.; Coelho, J. A. B.; Conley, E.; Conrad, J. M.; Convery, M.; Corwin, L.; Cotte, P.; Cremaldi, L.; Cremonesi, L.; Crespo-Anadón, J. I.; Cristaldo, E.; Cross, R.; Cuesta, C.; Cui, Y.; Cussans, D.; Dabrowski, M.; da Motta, H.; Da Silva Peres, L.; David, C.; David, Q.; Davies, G. S.; Davini, S.; Dawson, J.; De, K.; De Almeida, R. M.; Debbins, P.; De Bonis, I.; Decowski, M. P.; de Gouvêa, A.; De Holanda, P. C.; De Icaza Astiz, I. L.; Deisting, A.; De Jong, P.; Delbart, A.; Delepine, D.; Delgado, M.; Dell'Acqua, A.; De Lurgio, P.; de Mello Neto, J. R. T.; DeMuth, D. M.; Dennis, S.; Densham, C.; Deptuch, G.; De Roeck, A.; De Romeri, V.; De Vries, J. J.; Dharmapalan, R.; Dias, M.; Diaz, F.; Díaz, J. S.; Di Domizio, S.; Di Giulio, L.; Ding, P.; Di Noto, L.; Distefano, C.; Diurba, R.; Diwan, M.; Djurcic, Z.; Dokania, N.; Dolinski, M. J.; Domine, L.; Douglas, D.; Drielsma, F.; Duchesneau, D.; Duffy, K.; Dunne, P.; Durkin, T.; Duyang, H.; Dvornikov, O.; Dwyer, D. A.; Dyshkant, A. S.; Eads, M.; Edmunds, D.; Eisch, J.; Emery, S.; Ereditato, A.; Escobar, C. O.; Escudero Sanchez, L.; Evans, J. J.; Ewart, E.; Ezeribe, A. C.; Fahey, K.; Falcone, A.; Farnese, C.; Farzan, Y.; Felix, J.; Fernandez-Martinez, E.; Fernandez Menendez, P.; Ferraro, F.; Fields, L.; Filkins, A.; Filthaut, F.; Fitzpatrick, R. S.; Flanagan, W.; Fleming, B.; Flight, R.; Fowler, J.; Fox, W.; Franc, J.; Francis, K.; Franco, D.; Freeman, J.; Freestone, J.; Fried, J.; Friedland, A.; Fuess, S.; Furic, I.; Furmanski, A. P.; Gago, A.; Gallagher, H.; Gallego-Ros, A.; Gallice, N.; Galymov, V.; Gamberini, E.; Gamble, T.; Gandhi, R.; Gandrajula, R.; Gao, S.; García-Carballeira, F.; Garcia-Gamez, D.; García-Peris, M. Á.; Gardiner, S.; Gastler, D.; Ge, G.; Gelli, B.; Gendotti, A.; Gent, S.; Ghorbani-Moghaddam, Z.; Gibin, D.; Gil-Botella, I.; Girerd, C.; Giri, A. K.; Gnani, D.; Gogota, O.; Gold, M.; Gollapinni, S.; Gollwitzer, K.; Gomes, R. A.; Gomez Bermeo, L. V.; Gomez Fajardo, L. S.; Gonnella, F.; Gonzalez-Cuevas, J. A.; Goodman, M. C.; Goodwin, O.; Goswami, S.; Gotti, C.; Goudzovski, E.; Grace, C.; Graham, M.; Gramellini, E.; Gran, R.; Granados, E.; Grant, A.; Grant, C.; Gratieri, D.; Green, P.; Green, S.; Greenler, L.; Greenwood, M.; Greer, J.; Griffith, W. C.; Groh, M.; Grudzinski, J.; Grzelak, K.; Gu, W.; Guarino, V.; Guenette, R.; Guglielmi, A.; Guo, B.; Guthikonda, K. K.; Gutierrez, R.; Guzowski, P.; Guzzo, M. M.; Gwon, S.; Habig, A.; Hackenburg, A.; Hadavand, H.; Haenni, R.; Hahn, A.; Haigh, J.; Haiston, J.; Hamernik, T.; Hamilton, P.; Han, J.; Harder, K.; Harris, D. A.; Hartnell, J.; Hasegawa, T.; Hatcher, R.; Hazen, E.; Heavey, A.; Heeger, K. M.; Heise, J.; Hennessy, K.; Henry, S.; Hernandez Morquecho, M. A.; Herner, K.; Hertel, L.; Hesam, A. S.; Hewes, J.; Higuera, A.; Hill, T.; Hillier, S. J.; Himmel, A.; Hoff, J.; Hohl, C.; Holin, A.; Hoppe, E.; Horton-Smith, G. A.; Hostert, M.; Hourlier, A.; Howard, B.; Howell, R.; Huang, J.; Huang, J.; Hugon, J.; Iles, G.; Ilic, N.; Iliescu, A. M.; Illingworth, R.; Ioannisian, A.; Itay, R.; Izmaylov, A.; James, E.; Jargowsky, B.; Jediny, F.; Jesùs-Valls, C.; Ji, X.; Jiang, L.; Jiménez, S.; Jipa, A.; Joglekar, A.; Johnson, C.; Johnson, R.; Jones, B.; Jones, S.; Jung, C. K.; Junk, T.; Jwa, Y.; Kabirnezhad, M.; Kaboth, A.; Kadenko, I.; Kamiya, F.; Karagiorgi, G.; Karcher, A.; Karolak, M.; Karyotakis, Y.; Kasai, S.; Kasetti, S. P.; Kashur, L.; Kazaryan, N.; Kearns, E.; Keener, P.; Kelly, K. J.; Kemp, E.; Ketchum, W.; Kettell, S. H.; Khabibullin, M.; Khotjantsev, A.; Khvedelidze, A.; Kim, D.; King, B.; Kirby, B.; Kirby, M.; Klein, J.; Koehler, K.; Koerner, L. W.; Kohn, S.; Koller, P. P.; Kordosky, M.; Kosc, T.; Kose, U.; Kostelecký, V. A.; Kothekar, K.; Krennrich, F.; Kreslo, I.; Kudenko, Y.; Kudryavtsev, V. A.; Kulagin, S.; Kumar, J.; Kumar, R.; Kuruppu, C.; Kus, V.; Kutter, T.; Lambert, A.; Lande, K.; Lane, C. E.; Lang, K.; Langford, T.; Lasorak, P.; Last, D.; Lastoria, C.; Laundrie, A.; Lawrence, A.; Lazanu, I.; LaZur, R.; Le, T.; Learned, J.; LeBrun, P.; Lehmann Miotto, G.; Lehnert, R.; Leigui de Oliveira, M. A.; Leitner, M.; Leyton, M.; Li, L.; Li, S.; Li, S. W.; Li, T.; Li, Y.; Liao, H.; Lin, C. S.; Lin, S.; Lister, A.; Littlejohn, B. R.; Liu, J.; Lockwitz, S.; Loew, T.; Lokajicek, M.; Lomidze, I.; Long, K.; Loo, K.; Lorca, D.; Lord, T.; LoSecco, J. M.; Louis, W. C.; Luk, K. B.; Luo, X.; Lurkin, N.; Lux, T.; Luzio, V. P.; MacFarland, D.; Machado, A. A.; Machado, P.; Macias, C. T.; Macier, J. R.; Maddalena, A.; Madigan, P.; Magill, S.; Mahn, K.; Maio, A.; Maloney, J. A.; Mandrioli, G.; Maneira, J.; Manenti, L.; Manly, S.; Mann, A.; Manolopoulos, K.; Manrique Plata, M.; Marchionni, A.; Marciano, W.; Marfatia, D.; Mariani, C.; Maricic, J.; Marinho, F.; Marino, A. D.; Marshak, M.; Marshall, C.; Marshall, J.; Marteau, J.; Martin-Albo, J.; Martinez, N.; Martinez Caicedo, D. A.; Martynenko, S.; Mason, K.; Mastbaum, A.; Masud, M.; Matsuno, S.; Matthews, J.; Mauger, C.; Mauri, N.; Mavrokoridis, K.; Mazza, R.; Mazzacane, A.; Mazzucato, E.; McCluskey, E.; McConkey, N.; McFarland, K. S.; McGrew, C.; McNab, A.; Mefodiev, A.; Mehta, P.; Melas, P.; Mellinato, M.; Mena, O.; Menary, S.; Mendez, H.; Menegolli, A.; Meng, G.; Messier, M. D.; Metcalf, W.; Mewes, M.; Meyer, H.; Miao, T.; Michna, G.; Miedema, T.; Migenda, J.; Milincic, R.; Miller, W.; Mills, J.; Milne, C.; Mineev, O.; Miranda, O. G.; Miryala, S.; Mishra, C. S.; Mishra, S. R.; Mislivec, A.; Mladenov, D.; Mocioiu, I.; Moffat, K.; Moggi, N.; Mohanta, R.; Mohayai, T. A.; Mokhov, N.; Molina, J.; Molina Bueno, L.; Montanari, A.; Montanari, C.; Montanari, D.; Montano Zetina, L. M.; Moon, J.; Mooney, M.; Moor, A.; Moreno, D.; Morgan, B.; Morris, C.; Mossey, C.; Motuk, E.; Moura, C. A.; Mousseau, J.; Mu, W.; Mualem, L.; Mueller, J.; Muether, M.; Mufson, S.; Muheim, F.; Muir, A.; Mulhearn, M.; Muramatsu, H.; Murphy, S.; Musser, J.; Nachtman, J.; Nagu, S.; Nalbandyan, M.; Nandakumar, R.; Naples, D.; Narita, S.; Navas-Nicolás, D.; Nayak, N.; Nebot-Guinot, M.; Necib, L.; Negishi, K.; Nelson, J. K.; Nesbit, J.; Nessi, M.; Newbold, D.; Newcomer, M.; Newhart, D.; Nichol, R.; Niner, E.; Nishimura, K.; Norman, A.; Norrick, A.; Northrop, R.; Novella, P.; Nowak, J. A.; Oberling, M.; Olivares Del Campo, A.; Olivier, A.; Onel, Y.; Onishchuk, Y.; Ott, J.; Pagani, L.; Pakvasa, S.; Palamara, O.; Palestini, S.; Paley, J. M.; Pallavicini, M.; Palomares, C.; Pantic, E.; Paolone, V.; Papadimitriou, V.; Papaleo, R.; Papanestis, A.; Paramesvaran, S.; Parke, S.; Parsa, Z.; Parvu, M.; Pascoli, S.; Pasqualini, L.; Pasternak, J.; Pater, J.; Patrick, C.; Patrizii, L.; Patterson, R. B.; Patton, S. J.; Patzak, T.; Paudel, A.; Paulos, B.; Paulucci, L.; Pavlovic, Z.; Pawloski, G.; Payne, D.; Pec, V.; Peeters, S. J. M.; Penichot, Y.; Pennacchio, E.; Penzo, A.; Peres, O. L. G.; Perry, J.; Pershey, D.; Pessina, G.; Petrillo, G.; Petta, C.; Petti, R.; Piastra, F.; Pickering, L.; Pietropaolo, F.; Pillow, J.; Pinzino, J.; Plunkett, R.; Poling, R.; Pons, X.; Poonthottathil, N.; Pordes, S.; Potekhin, M.; Potenza, R.; Potukuchi, B. V. K. S.; Pozimski, J.; Pozzato, M.; Prakash, S.; Prakash, T.; Prince, S.; Prior, G.; Pugnere, D.; Qi, K.; Qian, X.; Raaf, J. L.; Raboanary, R.; Radeka, V.; Rademacker, J.; Radics, B.; Radovic, A.; Rafique, A.; Raguzin, E.; Rai, M.; Rajaoalisoa, M.; Rakhno, I.; Rakotondramanana, H. T.; Rakotondravohitra, L.; Ramachers, Y. A.; Rameika, R.; Ramirez Delgado, M. A.; Ramson, B.; Rappoldi, A.; Raselli, G.; Ratoff, P.; Ravat, S.; Razafinime, H.; Real, J. S.; Rebel, B.; Redondo, D.; Reggiani-Guzzo, M.; Rehak, T.; Reichenbacher, J.; Reitzner, S. D.; Renshaw, A.; Rescia, S.; Resnati, F.; Reynolds, A.; Riccobene, G.; Rice, L. C. J.; Rielage, K.; Rigaut, Y.; Rivera, D.; Rochester, L.; Roda, M.; Rodrigues, P.; Rodriguez Alonso, M. J.; Rodriguez Rondon, J.; Roeth, A. J.; Rogers, H.; Rosauro-Alcaraz, S.; Rossella, M.; Rout, J.; Roy, S.; Rubbia, A.; Rubbia, C.; Russell, B.; Russell, J.; Ruterbories, D.; Saakyan, R.; Sacerdoti, S.; Safford, T.; Sahu, N.; Sala, P.; Samios, N.; Sanchez, M. C.; Sanders, D. A.; Sankey, D.; Santana, S.; Santos-Maldonado, M.; Saoulidou, N.; Sapienza, P.; Sarasty, C.; Sarcevic, I.; Savage, G.; Savinov, V.; Scaramelli, A.; Scarff, A.; Scarpelli, A.; Schaffer, T.; Schellman, H.; Schlabach, P.; Schmitz, D.; Scholberg, K.; Schukraft, A.; Segreto, E.; Sensenig, J.; Seong, I.; Sergi, A.; Sergiampietri, F.; Sgalaberna, D.; Shaevitz, M. H.; Shafaq, S.; Shamma, M.; Sharma, H. R.; Sharma, R.; Shaw, T.; Shepherd-Themistocleous, C.; Shin, S.; Shooltz, D.; Shrock, R.; Simard, L.; Simos, N.; Sinclair, J.; Sinev, G.; Singh, J.; Singh, J.; Singh, V.; Sipos, R.; Sippach, F. W.; Sirri, G.; Sitraka, A.; Siyeon, K.; Smargianaki, D.; Smith, A.; Smith, A.; Smith, E.; Smith, P.; Smolik, J.; Smy, M.; Snopok, P.; Soares Nunes, M.; Sobel, H.; Soderberg, M.; Solano Salinas, C. J.; Söldner-Rembold, S.; Solomey, N.; Solovov, V.; Sondheim, W. E.; Sorel, M.; Soto-Oton, J.; Sousa, A.; Soustruznik, K.; Spagliardi, F.; Spanu, M.; Spitz, J.; Spooner, N. J. C.; Spurgeon, K.; Staley, R.; Stancari, M.; Stanco, L.; Steiner, H. M.; Stewart, J.; Stillwell, B.; Stock, J.; Stocker, F.; Stokes, T.; Strait, M.; Strauss, T.; Striganov, S.; Stuart, A.; Summers, D.; Surdo, A.; Susic, V.; Suter, L.; Sutera, C. M.; Svoboda, R.; Szczerbinska, B.; Szelc, A. M.; Talaga, R.; Tanaka, H. A.; Tapia Oregui, B.; Tapper, A.; Tariq, S.; Tatar, E.; Tayloe, R.; Teklu, A. M.; Tenti, M.; Terao, K.; Ternes, C. A.; Terranova, F.; Testera, G.; Thea, A.; Thompson, J. L.; Thorn, C.; Timm, S. C.; Tonazzo, A.; Torti, M.; Tortola, M.; Tortorici, F.; Totani, D.; Toups, M.; Touramanis, C.; Trevor, J.; Trzaska, W. H.; Tsai, Y. T.; Tsamalaidze, Z.; Tsang, K. V.; Tsverava, N.; Tufanli, S.; Tull, C.; Tyley, E.; Tzanov, M.; Uchida, M. A.; Urheim, J.; Usher, T.; Vagins, M. R.; Vahle, P.; Valdiviesso, G. A.; Valencia, E.; Vallari, Z.; Valle, J. W. F.; Vallecorsa, S.; Van Berg, R.; Van de Water, R. G.; Vanegas Forero, D.; Varanini, F.; Vargas, D.; Varner, G.; Vasel, J.; Vasseur, G.; Vaziri, K.; Ventura, S.; Verdugo, A.; Vergani, S.; Vermeulen, M. A.; Verzocchi, M.; Vieira de Souza, H.; Vignoli, C.; Vilela, C.; Viren, B.; Vrba, T.; Wachala, T.; Waldron, A. V.; Wallbank, M.; Wang, H.; Wang, J.; Wang, Y.; Wang, Y.; Warburton, K.; Warner, D.; Wascko, M.; Waters, D.; Watson, A.; Weatherly, P.; Weber, A.; Weber, M.; Wei, H.; Weinstein, A.; Wenman, D.; Wetstein, M.; While, M. R.; White, A.; Whitehead, L. H.; Whittington, D.; Wilking, M. J.; Wilkinson, C.; Williams, Z.; Wilson, F.; Wilson, R. J.; Wolcott, J.; Wongjirad, T.; Wood, K.; Wood, L.; Worcester, E.; Worcester, M.; Wret, C.; Wu, W.; Wu, W.; Xiao, Y.; Yang, G.; Yang, T.; Yershov, N.; Yonehara, K.; Young, T.; Yu, B.; Yu, J.; Zaki, R.; Zalesak, J.; Zambelli, L.; Zamorano, B.; Zani, A.; Zazueta, L.; Zeller, G. P.; Zennamo, J.; Zeug, K.; Zhang, C.; Zhao, M.; Zhivun, E.; Zhu, G.; Zimmerman, E. D.; Zito, M.; Zucchelli, S.; Zuklin, J.; Zutshi, V.; Zwaska, R.; DUNE Collaboration

Abstract

The Deep Underground Neutrino Experiment is a next-generation neutrino oscillation experiment that aims to measure CP-violation in the neutrino sector as part of a wider physics program. A deep learning approach based on a convolutional neural network has been developed to provide highly efficient and pure selections of electron neutrino and muon neutrino charged-current interactions. The electron neutrino (antineutrino) selection efficiency peaks at 90% (94%) and exceeds 85% (90%) for reconstructed neutrino energies between 2–5 GeV. The muon neutrino (antineutrino) event selection is found to have a maximum efficiency of 96% (97%) and exceeds 90% (95%) efficiency for reconstructed neutrino energies above 2 GeV. When considering all electron neutrino and antineutrino interactions as signal, a selection purity of 90% is achieved. These event selections are critical to maximize the sensitivity of the experiment to CP-violating effects.

Additional Information

© 2020 Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article's title, journal citation, and DOI. Received 15 June 2020; accepted 16 September 2020; published 9 November 2020. This document was prepared by the DUNE Collaboration using the resources of the Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), a U.S. Department of Energy, Office of Science, HEP User Facility. Fermilab is managed by Fermi Research Alliance, LLC (FRA), acting under Contract No. DE-AC02-07CH11359. This work was supported by CNPq, FAPERJ, FAPEG and FAPESP, Brazil; CFI, Institute of Particle Physics and NSERC, Canada; CERN; MŠMT, Czech Republic; ERDF, H2020-EU and MSCA, European Union; CNRS/IN2P3 and CEA, France; INFN, Italy; FCT, Portugal; NRF, South Korea; Comunidad de Madrid, Fundación "La Caixa" and MICINN, Spain; State Secretariat for Education, Research and Innovation and SNSF, Switzerland; TÜBİTAK, Turkey; The Royal Society and UKRI/STFC, United Kingdom; DOE and NSF, United States of America.

Attached Files

Published - PhysRevD.102.092003.pdf

Submitted - 2006.15052.pdf

Files

2006.15052.pdf

Files (6.7 MB)

Name	Size	Download all
2006.15052.pdf md5:25e5b1fa333c1c6a608efaaa28fd3d31	2.8 MB	Preview Download
PhysRevD.102.092003.pdf md5:b2b48ae754877aad80010d431397dcdc	3.9 MB	Preview Download

Additional details

	All versions	This version
Views	0	0
Downloads	0	0
Data volume	0 Bytes	0 Bytes