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Título: Classificação e reconstrução de chuveiros atmosféricos via deep learning estereoscópico multitarefa para os telescópios de grande porte do CTAO
Título(s) alternativo(s): Classification and stereoscopic reconstruction of air showers via multi-task deep learning for CTAO large-sized telescopes
Autor(es): Silva, Derlei Jurandir da
Orientador(es): Mello, Alexandre José Tuoto Silveira
Palavras-chave: Astronomia de raio gama
Telescópios - Processamento de dados
Aprendizado profundo (Aprendizado do computador)
Redes neurais (Computação)
Raios cósmicos - Observações
Astronomia - Simulação por computador
Radiação cherenkov
Gamma ray astronomy
Reflecting telescopes - Data processing
Deep learning (Machine learning)
Neural networks (Computer science)
Cosmic rays - Observations
Astronomy - Computer simulation
Cherenkov radiation
Data do documento: 16-Mar-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: SILVA, Derlei Jurandir da. Classificação e reconstrução de chuveiros atmosféricos via deep learning estereoscópico multitarefa para os telescópios de grande porte do CTAO. 2026. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.
Resumo: O Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) representa a próxima geração de observatórios de raios gama terrestres, projetado para melhorar a sensibilidade em uma ordem de grandeza em relação aos instrumentos atuais. Um dos principais desafios científicos do CTAO reside na faixa de baixa energia (20-150 GeV), coberta pelos Large-Sized Telescopes (LSTs), onde a escassez de fótons Cherenkov e a contaminação pelo fundo hadrônico limitam as técnicas de reconstrução tradicionais baseadas em parametrização de Hillas. Esta dissertação propõe e valida uma rede neural convolucional profunda projetada para a reconstrução estereoscópica completa de eventos nos LSTs. A arquitetura opera sob o paradigma de aprendizado multitarefa (Multi-Task Learning), realizando simultaneamente a classificação gama-hádron e a regressão de energia e direção de chegada. Foi implementada uma estratégia de Curriculum Learning, evoluindo a rede desde o aprendizado morfológico básico até a correlação geométrica complexa. Utilizando simulações de Monte Carlo (CORSIKA+sim_telarray), demonstramos que a fusão de dados estereoscópicos aliada a mecanismos de atenção permite atingir, no regime de operação esteresocópico total, uma resolução de energia abaixo de 20% e uma resolução angular 𝜃68 na ordem de 0,2°. A classificação gama-hádron apresentou uma Área Sob a Curva (AUC) superior a 0,97. Mantendo alta fidelidade energética e capacidade de classificação também em fontes difusas, essenciais para o mapeamento de estruturas extensas e realização de surveys. Consolidando a rede proposta como uma ferramenta promissora para a maximização do potencial científico da próxima geração de telescópios Cherenkov.
Abstract: The Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) represents the next generation of groundbased gamma-ray observatories, designed to improve sensitivity by an order of magnitude over current instruments. A major scientific challenge for CTAO lies in the low-energy range (20-150 GeV), covered by the Large-Sized Telescopes (LSTs), where the scarcity of Cherenkov photons and hadronic background contamination limit the traditional reconstructions methods based on Hillas parametrization. This work proposes and validates a deep convolutional siamese neural network designed for full stereoscopic event reconstruction in LSTs. The architecture operates under the Multi-Task Learning paradigm, simultaneously performing gamma-hadron classification and energy and arrival direction regression. A Curriculum Learning strategy was implemented, evolving the neural network from basic morphological learning to complex geometric correlation. Using Monte Carlo simulations (CORSIKA+sim_telarray), we demonstrate that stereoscopic fusion combined with attention mechanisms permit achieving, in a total stereoscopic operation, an energy resolution under 20% and an angular resolution 𝜃68 of 0,2°. The gamma-hadron classification yielded an Area Under the Curve (AUC) exceeding 0,97. The network maintains high energy fidelity and classification capacity for diffuse sources, which are essential for mapping extended structures and conducting surveys. These results consolidate the proposed network as a promising tool for maximizing the scientific potential of the next generation of Cherenkov telescopes.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40453
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