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Full event interpretation with machine-learning-based particle-flow reconstruction in the CMS detector

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2026

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Report No.: CERN-EP-2025-300; CMS-PFT-25-001; arXiv:2601.17554

Abstract: The particle-flow (PF) algorithm constructs a global description of each particle collision by producing a comprehensive list of final-state particles, and is central to event reconstruction in the CMS experiment at the CERN LHC. The existing PF implementation relies on physics-motivated heuristics and assumptions that can be replaced by machine-learning (ML) models trained directly on simulated data and naturally suited to modern graphics processing units (GPUs). A state-of-the-art ML-based PF (MLPF) reconstruction algorithm, implemented within the CMS software framework, is presented. The MLPF algorithm performs a learnable full-event reconstruction on GPUs, generalizes across detector conditions and collision energies, and replaces multiple modular reconstruction steps with a single unified model. Physics performance comparable to standard PF reconstruction is achieved in both simulation and data, with improved jet energy resolution and inference time. In simulated top quark-antiquark events under LHC Run-3 (2023$-$2024) conditions, the jet energy resolution improves by 10$-$20% for jets with transverse momentum between 30$-$100 GeV. Inference time is evaluated using simulated multijet events, with a median of 20 ms per event on an Nvidia L4 GPU, compared to approximately 110 ms for the standard CMS PF reconstruction.


Note: Submitted to the European Physical Journal C. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/PFT-25-001 (CMS Public Pages)
Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
  3. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Das Quantisierte Universum II (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

Appears in the scientific report 2026
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