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This content will become publicly available on June 1, 2026

Title: Neutrino interaction vertex reconstruction in DUNE with Pandora deep learning
Abstract The Pandora Software Development Kit and algorithm libraries perform reconstruction of neutrino interactions in liquid argon time projection chamber detectors. Pandora is the primary event reconstruction software used at the Deep Underground Neutrino Experiment, which will operate four large-scale liquid argon time projection chambers at the far detector site in South Dakota, producing high-resolution images of charged particles emerging from neutrino interactions. While these high-resolution images provide excellent opportunities for physics, the complex topologies require sophisticated pattern recognition capabilities to interpret signals from the detectors as physically meaningful objects that form the inputs to physics analyses. A critical component is the identification of the neutrino interaction vertex. Subsequent reconstruction algorithms use this location to identify the individual primary particles and ensure they each result in a separate reconstructed particle. A new vertex-finding procedure described in this article integrates a U-ResNet neural network performing hit-level classification into the multi-algorithm approach used by Pandora to identify the neutrino interaction vertex. The machine learning solution is seamlessly integrated into a chain of pattern-recognition algorithms. The technique substantially outperforms the previous BDT-based solution, with a more than 20% increase in the efficiency of sub-1 cm vertex reconstruction across all neutrino flavours.  more » « less
Award ID(s):
2112727 2046549 2209601
PAR ID:
10614388
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
The European Physical Journal C
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
85
Issue:
6
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract The Pandora Software Development Kit and algorithm libraries provide pattern-recognition logic essential to the reconstruction of particle interactions in liquid argon time projection chamber detectors. Pandora is the primary event reconstruction software used at ProtoDUNE-SP, a prototype for the Deep Underground Neutrino Experiment far detector. ProtoDUNE-SP, located at CERN, is exposed to a charged-particle test beam. This paper gives an overview of the Pandora reconstruction algorithms and how they have been tailored for use at ProtoDUNE-SP. In complex events with numerous cosmic-ray and beam background particles, the simulated reconstruction and identification efficiency for triggered test-beam particles is above 80% for the majority of particle type and beam momentum combinations. Specifically, simulated 1 GeV/ c charged pions and protons are correctly reconstructed and identified with efficiencies of 86.1 $$\pm 0.6$$ ± 0.6 % and 84.1 $$\pm 0.6$$ ± 0.6 %, respectively. The efficiencies measured for test-beam data are shown to be within 5% of those predicted by the simulation. 
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  2. Abstract Wire-Cell is a 3D event reconstruction package for liquid argon time projection chambers. Through geometry, time, and drifted charge from multiple readout wire planes, 3D space points with associated charge are reconstructed prior to the pattern recognition stage. Pattern recognition techniques, including track trajectory and d Q /d x (ionization charge per unit length) fitting, 3D neutrino vertex fitting, track and shower separation, particle-level clustering, and particle identification are then applied on these 3D space points as well as the original 2D projection measurements. A deep neural network is developed to enhance the reconstruction of the neutrino interaction vertex. Compared to traditional algorithms, the deep neural network boosts the vertex efficiency by a relative 30% for charged-current ν e interactions. This pattern recognition achieves 80–90% reconstruction efficiencies for primary leptons, after a 65.8% (72.9%) vertex efficiency for charged-current ν e (ν μ ) interactions. Based on the resulting reconstructed particles and their kinematics, we also achieve 15-20% energy reconstruction resolutions for charged-current neutrino interactions. 
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  3. Abstract In this paper, we review scientific opportunities and challenges related to detection and reconstruction of low-energy (less than 100 MeV) signatures in liquid argon time-projection chamber (LArTPC) neutrino detectors. LArTPC neutrino detectors designed for performing precise long-baseline oscillation measurements with GeV-scale accelerator neutrino beams also have unique sensitivity to a range of physics and astrophysics signatures via detection of event features at and below the few tens of MeV range. In addition, low-energy signatures are an integral part of GeV-scale accelerator neutrino interaction final-states, and their reconstruction can enhance the oscillation physics sensitivities of LArTPC experiments. New physics signals from accelerator and natural sources also generate diverse signatures in the low-energy range, and reconstruction of these signatures can increase the breadth of Beyond the Standard Model scenarios accessible in LArTPC-based searches. A variety of experimental and theory-related challenges remain to realizing this full range of potential benefits. Neutrino interaction cross-sections and other nuclear physics processes in argon relevant to sub-hundred-MeV LArTPC signatures are poorly understood, and improved theory and experimental measurements are needed; pion decay-at-rest sources and charged particle and neutron test beams are ideal facilities for improving this understanding. There are specific calibration needs in the low-energy range, as well as specific needs for control and understanding of radiological and cosmogenic backgrounds. Low-energy signatures, whether steady-state or part of a supernova burst or larger GeV-scale event topology, have specific triggering, DAQ and reconstruction requirements that must be addressed outside the scope of conventional GeV-scale data collection and analysis pathways. Novel concepts for future LArTPC technology that enhance low-energy capabilities should also be explored to help address these challenges. 
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  4. We present a deep learning-based method for estimating the neutrino energy of charged-current neutrino-argon interactions. We employ a recurrent neural network (RNN) architecture for neutrino energy estimation in the MicroBooNE experiment, utilizing liquid argon time projection chamber (LArTPC) detector technology. Traditional energy estimation approaches in LArTPCs, which largely rely on reconstructing and summing visible energies, often experience sizable biases and resolution smearing because of the complex nature of neutrino interactions and the detector response. The estimation of neutrino energy can be improved after considering the kinematics information of reconstructed final-state particles. Utilizing kinematic information of reconstructed particles, the deep learning-based approach shows improved resolution and reduced bias for the muon neutrino Monte Carlo simulation sample compared to the traditional approach. In order to address the common concern about the effectiveness of this method on experimental data, the RNN-based energy estimator is further examined and validated with dedicated data-simulation consistency tests using MicroBooNE data. We also assess its potential impact on a neutrino oscillation study after accounting for all statistical and systematic uncertainties and show that it enhances physics sensitivity. This method has good potential to improve the performance of other physics analyses. Published by the American Physical Society2024 
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  5. Abstract A significant challenge in measurements of neutrino oscillations is reconstructing the incoming neutrino energies. While modern fully-active tracking calorimeters such as liquid argon time projection chambers in principle allow the measurement of all final state particles above some detection threshold, undetected neutrons remain a considerable source of missing energy with little to no data constraining their production rates and kinematics. We present the first demonstration of tagging neutrino-induced neutrons in liquid argon time projection chambers using secondary protons emitted from neutron-argon interactions in the MicroBooNE detector. We describe the method developed to identify neutrino-induced neutrons and demonstrate its performance using neutrons produced in muon-neutrino charged current interactions. The method is validated using a small subset of MicroBooNE’s total dataset. The selection yields a sample with$$60\%$$ 60 % of selected tracks corresponding to neutron-induced secondary protons. At this purity, the integrated efficiency is 8.4% for neutrons that produce a detectable proton. 
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