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U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

Identification of tau leptons using a convolutional neural network with domain adaptation

Journal Article · · Journal of Instrumentation
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  1. Yerevan Physics Inst. (YerPhI) (Armenia); CMS Collaboration. et al.
A tau lepton identification algorithm,DeepTau, based on convolutional neural network techniques, has been developed in the CMS experiment to discriminate reconstructed hadronic decays of tau leptons (τh) from quark or gluon jets and electrons and muons that are misreconstructed as τh candidates. The latest version of this algorithm, v2.5, includes domain adaptation by backpropagation, a technique that reduces discrepancies between collision data and simulation in the region with the highest purity of genuine τh candidates. Additionally, a refined training workflow improves classification performance with respect to the previous version of the algorithm, with a reduction of 30–50% in the probability for quark and gluon jets to be misidentified as τh candidates for given reconstruction and identification efficiencies. This paper presents the novel improvements introduced in theDeepTau algorithm and evaluates its performance in LHC proton-proton collision data at √(s) = 13 and 13.6 TeV collected in 2018 and 2022 with integrated luminosities of 60 and 35 fb-1, respectively. Techniques to calibrate the performance of the τh identification algorithm in simulation with respect to its measured performance in real data are presented, together with a subset of results among those measured for use in CMS physics analyses.
Research Organization:
Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE
Grant/Contract Number:
89243024CSC000002
OSTI ID:
3011763
Report Number(s):
CERN-EP--2025-233; CMS-TAU--24-001; FERMILAB-PUB--25-0828-CMS; oai:inspirehep.net:3080924; arXiv:2511.05468
Journal Information:
Journal of Instrumentation, Journal Name: Journal of Instrumentation Journal Issue: 12 Vol. 20; ISSN 1748-0221
Publisher:
Institute of Physics (IOP)Copyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (61)

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Search for heavy neutrinos and third-generation leptoquarks in hadronic states of two τ leptons and two jets in proton-proton collisions at s = 13 $$ \sqrt{s}=13 $$ TeV journal March 2019
Search for a heavy pseudoscalar Higgs boson decaying into a 125 GeV Higgs boson and a Z boson in final states with two tau and two light leptons at s$$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV journal March 2020
Search for lepton flavour violating decays of a neutral heavy Higgs boson to μτ and eτ in proton-proton collisions at s$$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV journal March 2020
Top-pair production and decay at NLO matched with parton showers journal April 2015
Search for a low-mass τ−τ+ resonance in association with a bottom quark in proton-proton collisions at s $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV journal May 2019
A general framework for implementing NLO calculations in shower Monte Carlo programs: the POWHEG BOX journal June 2010
Searches for third-generation scalar leptoquarks in s $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector journal June 2019
Analysis of the CP structure of the Yukawa coupling between the Higgs boson and τ leptons in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV journal June 2022
The automated computation of tree-level and next-to-leading order differential cross sections, and their matching to parton shower simulations journal July 2014
Search for charged Higgs bosons in the H± → τ±ντ decay channel in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s}=13 $$ TeV journal July 2019
Search for additional neutral MSSM Higgs bosons in the τ τ final state in proton-proton collisions at s = 13 $$ \sqrt{s}=13 $$ TeV journal September 2018
Search for charged Higgs bosons decaying via H± → τ±ντ in the τ+jets and τ+lepton final states with 36 fb−1 of pp collision data recorded at s = 13 $$ \sqrt{s}=13 $$ TeV with the ATLAS experiment journal September 2018
Pileup per particle identification journal October 2014
Merging meets matching in MC@NLO journal December 2012
The CMS Statistical Analysis and Combination Tool: Combine journal November 2024
Geant4—a simulation toolkit
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journal July 2003
Universal interface of TAUOLA: Technical and physics documentation journal March 2012
Top++: A program for the calculation of the top-pair cross-section at hadron colliders journal November 2014
An introduction to PYTHIA 8.2 journal June 2015
HatHor  for single top-quark production: Updated predictions and uncertainty estimates for single top-quark production in hadronic collisions journal June 2015
Interpolation between multi-dimensional histograms using a new non-linear moment morphing method
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journal January 2015
Dispelling the N3 myth for the kt jet-finder journal September 2006
Search for W′ decaying to tau lepton and neutrino in proton–proton collisions at s = 8   TeV journal April 2016
Search for Higgs boson pair production in events with two bottom quarks and two tau leptons in proton–proton collisions at s = 13 TeV journal March 2018
Observation of the Higgs boson decay to a pair of τ leptons with the CMS detector journal April 2018
Search for an exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars in the final state with two b quarks and two τ leptons in proton–proton collisions at s = 13 TeV journal October 2018
Test of CP invariance in vector-boson fusion production of the Higgs boson in the H → ττ channel in proton–proton collisions at s = 13 TeV with the ATLAS detector journal June 2020
A New Method for Combining NLO QCD with Shower Monte Carlo Algorithms journal November 2004
A positive-weight next-to-leading-order Monte Carlo for heavy flavour hadroproduction journal September 2007
Matching NLO QCD computations with parton shower simulations: the POWHEG method journal November 2007
The anti- k t jet clustering algorithm journal April 2008
NLO single-top production matched with shower in POWHEG: s - and t -channel contributions journal September 2009
Performance of electron reconstruction and selection with the CMS detector in proton-proton collisions at √ s = 8 TeV journal June 2015
The CMS trigger system journal January 2017
Jet energy scale and resolution in the CMS experiment in pp collisions at 8 TeV journal February 2017
Particle-flow reconstruction and global event description with the CMS detector journal October 2017
Performance of the CMS muon detector and muon reconstruction with proton-proton collisions at √ s =13 TeV journal June 2018
Performance of reconstruction and identification of τ leptons decaying to hadrons and v τ in pp collisions at √ s =13 TeV journal October 2018
Performance of missing transverse momentum reconstruction in proton-proton collisions at √ s = 13 TeV using the CMS detector journal July 2019
Pileup mitigation at CMS in 13 TeV data journal September 2020
Performance of the CMS Level-1 trigger in proton-proton collisions at √ s = 13 TeV journal October 2020
Electron and photon reconstruction and identification with the CMS experiment at the CERN LHC journal May 2021
Identification of hadronic tau lepton decays using a deep neural network journal July 2022
Development of the CMS detector for the CERN LHC Run 3 journal May 2024
Performance of the CMS high-level trigger during LHC Run 2 journal November 2024
The CMS experiment at the CERN LHC journal August 2008
Performance of τq-lepton reconstruction and identification in CMS journal January 2012
Description and performance of track and primary-vertex reconstruction with the CMS tracker journal October 2014
A deep neural network to search for new long-lived particles decaying to jets journal August 2020
Combining QCD and electroweak corrections to dilepton production in the framework of the FEWZ simulation code journal November 2012
Cross-section measurements of the Higgs boson decaying into a pair of τ -leptons in proton-proton collisions at s = 13     TeV with the ATLAS detector journal April 2019
Search for Resonant and Nonresonant Higgs Boson Pair Production in the b b ¯ τ + τ − Decay Channel in p p Collisions at s = 13     TeV with the ATLAS Detector journal November 2018
Search for Heavy Higgs Bosons Decaying into Two Tau Leptons with the ATLAS Detector Using p p Collisions at s = 13     TeV journal July 2020
Delving Deep into Rectifiers: Surpassing Human-Level Performance on ImageNet Classification conference December 2015
Focal Loss for Dense Object Detection journal February 2020
Comparative study of various algorithms for the merging of parton showers and matrix elements in hadronic collisions journal December 2007
Single-top Wt-channel production matched with parton showers using the POWHEG method journal February 2011
FastJet user manual: (for version 3.0.2) journal March 2012
Event generator tunes obtained from underlying event and multiparton scattering measurements journal March 2016
Search for direct pair production of supersymmetric partners to the $${\uptau }_{}^{}$$τ lepton in proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13\,\text {TeV} $$s=13TeV journal March 2020