Development of an evaluation tool to use deep generative models to reproduce Monte Carlo physics simulations
Year: 2025
Type: dissertation
Abstract: La creciente demanda computacional de las simulaciones de física de altas energías, especialmente aquellas que dependen de Geant4 para la modelización completa de lluvias de partículas, ha motivado la búsqueda de alternativas más rápidas pero igualmente precisas. Esta tesis presenta el desarrollo e implementación de GenANT, un marco de evaluación flexible y ampliable diseñado para estudiar Modelos Generativos Profundos (DGMs) capaces de reproducir con alta fidelidad los resultados de simulaciones de Monte Carlo. GenANT proporciona una forma directa de entrenar y analizar múltiples arquitecturas generativas de última generación (Variational Autoencoders (VAE), Transformers y modelos de Difusión (DDPM)) bajo un código unificado para proporcionar un entorno coherente para el entrenamiento, generación y evaluación de simulaciones de lluvias de partículas en calorímetros. Los tres tipos de arquitecturas generativas han sido implementados, evaluados y comparados utilizando una amplia gama de m´etricas cuantitativas, como el MSE, pruebas χ2 y clasificadores binarios entrenados sobre características de alto y bajo nivel de las descargas, para evaluar la capacidad de los modelos de replicar la compleja estructura de la simulación original. Los resultados muestran que, si bien el modelo de Difusión ofrece la mejor fidelidad en las distribuciones espaciales, el VAE y el Transformer proporcionan una fuerte capacidad de generalización con recursos mínimos. Como parte de la validación de los modelos, se realizaron diversos experimentos que aportan trabajo original en el ajuste fino de estos modelos. El estudio también incluye el desarrollo de conjuntos de datos personalizados, flujos de preprocesamiento y técnicas de carga de datos eficientes en memoria para afrontar los desafíos de trabajar con simulaciones de calor´ımetros a gran escala. Con este trabajo, la tesis proporciona una pipeline validada y modular que facilita la experimentación y el desarrollo de modelos, abriendo la puerta a la integración de estas técnicas en flujos de trabajo de simulación dentro del grupo de investigación ANT (Advanced Nuclear Technologies), de la Universitat Politècnica de Catalunya. El repositorio con el código de GenANT puede encontrarse en Github.
Author: Guilera Alonso, Xavier
Language: English
Subfield: Nuclear and High Energy Physics
Field: Physics and Astronomy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7140245853