Pokročilé metody rekonstrukce snímků z dalekohledu LST-1

  • Vedoucí práce / Supervisor: Ing. Mgr. Jakub Juryšek, Ph.D.
  • Pracoviště / Workplace: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
  • Kontakt / Contact: jurysek@fzu.cz
  • Konzultant / Consultant: Mgr. Michal Brož, Ph.D.
  • Title English: Advanced methods of image reconstruction for the LST-1 telescope

Abstrakt

Právě budovaná pozemní gama observatoř Čerenkov Telescope Array (CTA) bude citlivá na kosmické fotony velmi vysokých energií od 20 GeV do 300 TeV. V tomto energetickém rozsahu CTA řádově překoná citlivost a úhlové rozlišení všech dosavadních pozemních gama observatoří, a bude poskytovat přesná data, díky kterým bude například možné zodpovědět otázky původu kosmického záření vysokých energií, či povahu temné hmoty. Observatoř bude sestávat z několika desítek teleskopů vybudovaných ve dvou lokalitách na Zemi pro dosažení celooblohového pokrytí. Prototyp prvního velkého teleskopu pro CTA, LST-1, byl v roce 2018 vybudován na ostrově La Palma a od té doby je ve zkušebním provozu a nabírá první data. Čerenkovské dalekohledy využívají nepřímou metodu detekce gama fotonů, pro které je zemská atmosféra neprůhledná, a pozorují čerenkovské záření spršek sekundárních částic vznikajících po interakci primárního gama fotonu s jádry atomů v atmosféře. Rekonstrukce vlastností primárních gama fotonů ze snímků spršky sekundárních částic je velmi specifická, a vyžaduje přesné Monte Carlo simulace zahrnující modely částicových interakcí, atmosféry a samotného detektoru.

Práce se bude zabývat metodami rekonstrukce snímků spršek s využitím moderních metod strojového učení, konkrétně konvolučních neuronových sítí. Cílem práce bude charakterizovat přesnost takovéto rekonstrukce a její srovnání s klasickými metodami, zejména pro klasifikaci primárních částic.

Abstract

The Cherenkov Telescope Array (CTA) will be the next generation ground-based very-high-energy gamma-ray observatory, sensitive from 20 GeV up to 300 TeV. In this energy range, the overall sensitivity of CTA and its angular resolution will significantly exceed the performance of all existing ground-based gamma observatories. Unprecedented precise data provided by CTA will shed light on the origin of high-energy cosmic rays, or the nature of dark matter. CTA will consist of several dozens of telescopes built on two sites selected to cover the entire sky. The Large-Sized Telescope prototype (LST-1) was inaugurated in October 2018 in La Palma (Spain) and it is currently in the commissioning phase. Cherenkov telescopes in general detect the cosmic gamma rays (which cannot penetrate the Earth's atmosphere) indirectly by observation of Cherenkov radiation of secondary shower particles, resulting from the interaction of the primary cosmic gamma-ray photon with atomic nuclei in the atmosphere. Reconstruction of properties of the primary gamma-ray photon requires precise Monte Carlo simulations including particle interaction models, models of the atmosphere, and models of the telescope itself.

The thesis will investigate advanced modern methods of shower reconstruction using convolutional neural networks. The thesis aims to characterize the performance of such reconstruction and its comparison with standard reconstruction methods, particularly for the classification of primary particles.

Literatura / reference:

[1] (Bose et al 2022) https://arxiv.org/pdf/2201.06789.pdf

[2] (Caraveo 2020) https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s40766-020-00006-3.pdf

[3] (Jurysek et al 2021) https://arxiv.org/pdf/2111.14478.pdf

[4] (Jacquemont et al 2021) https://arxiv.org/pdf/2105.14927.pdf

[5] (Nieto et al 2019) https://arxiv.org/pdf/1912.09898.pdf