skip to main content
US FlagAn official website of the United States government
dot gov icon
Official websites use .gov
A .gov website belongs to an official government organization in the United States.
https lock icon
Secure .gov websites use HTTPS
A lock ( lock ) or https:// means you've safely connected to the .gov website. Share sensitive information only on official, secure websites.


This content will become publicly available on May 1, 2026

Title: Reweighting simulated events using machine-learning techniques in the CMS experiment
Abstract Data analyses in particle physics rely on an accurate simulation of particle collisions and a detailed simulation of detector effects to extract physics knowledge from the recorded data. Event generators together with ageant-based simulation of the detectors are used to produce large samples of simulated events for analysis by the LHC experiments. These simulations come at a high computational cost, where the detector simulation and reconstruction algorithms have the largest CPU demands. This article describes how machine-learning (ML) techniques are used to reweight simulated samples obtained with a given set of parameters to samples with different parameters or samples obtained from entirely different simulation programs. The ML reweighting method avoids the need for simulating the detector response multiple times by incorporating the relevant information in a single sample through event weights. Results are presented for reweighting to model variations and higher-order calculations in simulated top quark pair production at the LHC. This ML-based reweighting is an important element of the future computing model of the CMS experiment and will facilitate precision measurements at the High-Luminosity LHC.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10636136
Author(s) / Creator(s):
; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; more » ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; « less
Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
85
Issue:
5
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. A<sc>bstract</sc> A search for new physics in top quark production with additional final-state leptons is performed using data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV at the LHC during 2016–2018. The data set corresponds to an integrated luminosity of 138 fb−1. Using the framework of effective field theory (EFT), potential new physics effects are parametrized in terms of 26 dimension-six EFT operators. The impacts of EFT operators are incorporated through the event-level reweighting of Monte Carlo simulations, which allows for detector-level predictions. The events are divided into several categories based on lepton multiplicity, total lepton charge, jet multiplicity, and b-tagged jet multiplicity. Kinematic variables corresponding to the transverse momentum (pT) of the leading pair of leptons and/or jets as well as thepTof on-shell Z bosons are used to extract the 95% confidence intervals of the 26 Wilson coefficients corresponding to these EFT operators. No significant deviation with respect to the standard model prediction is found. 
    more » « less
  2. Abstract In general-purpose particle detectors, the particle-flow algorithm may be used to reconstruct a comprehensive particle-level view of the event by combining information from the calorimeters and the trackers, significantly improving the detector resolution for jets and the missing transverse momentum. In view of the planned high-luminosity upgrade of the CERN Large Hadron Collider (LHC), it is necessary to revisit existing reconstruction algorithms and ensure that both the physics and computational performance are sufficient in an environment with many simultaneous proton–proton interactions (pileup). Machine learning may offer a prospect for computationally efficient event reconstruction that is well-suited to heterogeneous computing platforms, while significantly improving the reconstruction quality over rule-based algorithms for granular detectors. We introduce MLPF, a novel, end-to-end trainable, machine-learned particle-flow algorithm based on parallelizable, computationally efficient, and scalable graph neural network optimized using a multi-task objective on simulated events. We report the physics and computational performance of the MLPF algorithm on a Monte Carlo dataset of top quark–antiquark pairs produced in proton–proton collisions in conditions similar to those expected for the high-luminosity LHC. The MLPF algorithm improves the physics response with respect to a rule-based benchmark algorithm and demonstrates computationally scalable particle-flow reconstruction in a high-pileup environment. 
    more » « less
  3. Abstract High energy collisions at the High-Luminosity Large Hadron Collider (LHC) produce a large number of particles along the beam collision axis, outside of the acceptance of existing LHC experiments. The proposed Forward Physics Facility (FPF), to be located several hundred meters from the ATLAS interaction point and shielded by concrete and rock, will host a suite of experiments to probe standard model (SM) processes and search for physics beyond the standard model (BSM). In this report, we review the status of the civil engineering plans and the experiments to explore the diverse physics signals that can be uniquely probed in the forward region. FPF experiments will be sensitive to a broad range of BSM physics through searches for new particle scattering or decay signatures and deviations from SM expectations in high statistics analyses with TeV neutrinos in this low-background environment. High statistics neutrino detection will also provide valuable data for fundamental topics in perturbative and non-perturbative QCD and in weak interactions. Experiments at the FPF will enable synergies between forward particle production at the LHC and astroparticle physics to be exploited. We report here on these physics topics, on infrastructure, detector, and simulation studies, and on future directions to realize the FPF’s physics potential. 
    more » « less
  4. Assi, Benoit; Bierlich, Christian; Ilten, Phil; Menzo, Tony; Szewc, Manuel; Wilkinson, Michael; Youssef, Ahmed; Zupan, Jure (Ed.)
    We present a method for reweighting flavor selection in the Lund string fragmentation model. This is the process of calculating and applying event weights enabling fast and exact variation of hadronization parameters on pre-generated event samples. The procedure is post hoc, requiring only a small amount of additional information stored per event, and allowing for efficient estimation of hadronization uncertainties without repeated simulation. Weight expressions are derived from the hadronization algorithm itself, and validated against direct simulation for a wide range of observables and parameter shifts. The hadronization algorithm can be viewed as a hierarchical Markov process with stochastic rejections, a structure common to many complex simulations outside of high-energy physics. This perspective makes the method modular, extensible, and potentially transferable to other domains. We demonstrate the approach in Pythia, including both numerical stability and timing benefits. 
    more » « less
  5. A<sc>bstract</sc> Results are presented from a search for new physics in high-mass diphoton events from proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The data set was collected in 2016–2018 with the CMS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 138 fb−1. Events with a diphoton invariant mass greater than 500 GeV are considered. Two different techniques are used to predict the standard model backgrounds: parametric fits to the smoothly-falling background and a first-principles calculation of the standard model diphoton spectrum at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics calculations. The first technique is sensitive to resonant excesses while the second technique can identify broad differences in the invariant mass shape. The data are used to constrain the production of heavy Higgs bosons, Randall-Sundrum gravitons, the large extra dimensions model of Arkani-Hamed, Dimopoulos, and Dvali (ADD), and the continuum clockwork mechanism. No statistically significant excess is observed. The present results are the strongest limits to date on ADD extra dimensions and RS gravitons with a coupling parameter greater than 0.1. 
    more » « less