[論文レビュー] CompHEP - Specialized package for automatic calculations of elementary particle decays and collisions

E. Boos, Dubinin, M. N.+3 more|ArXiv.org|Mar 9, 1995

Distributed and Parallel Computing Systems被引用数 33

ひとこと要約

CompHEP は、素粒子崩壊および高エネルギー衝突の階層レベルでの自動計算を目的としたメニュー駆動型のソフトウェアパッケージであり、ラグランジアンから物理的観測量への効率的な移行を可能にする。標準模型の異なるゲージにおける標準模型を含む複数のモデルをサポートし、フェ Feynman 図を生成し、行列要素の二乗を記号的に計算し、モンテカルロ統合用に最適化された FORTRAN コードを出力する。これは、TeV スケールの実験における衝突物理シミュレーションおよび断面積予測を著しく加速する。

ABSTRACT

At present time when a new generation of TeV colliders are beginning to operate one needs to calculate cross-sections for a great number of various reactions. Such calculations are united in the framework of the collider physical program, providing definite predictions how to detect the signatures of the new physics and separate them from the background. The CompHEP package was created for calculation of decay and high energy collision processes of elementary particles in the lowest order (tree) approximation. The main idea put into the CompHEP was to make available passing from the lagrangian to the final distributions effectively with the high level of automatization what is extremely needed in collider physics.

研究の動機と目的

• 高エネルギー衝突物理における断面積および崩壊率の迅速かつ自動化された計算の増大するニーズに対応すること。
• ラグランジュアン場理論から微分断面積や角度分布などの物理的観測量への移行を簡素化する高水準でインタラクティブな環境を提供すること。
• ユーザー定義の拡張を可能にすることで、新しい物理モデルの開発とテストを支援すること。
• 将来の衝突機における複雑な 2→2 および 2→4 プロセスのモンテカルロイベント生成の効率性と正確性を向上させること。
• 特にヒッグスおよびベクトルボソン生成の精密研究において、他の計算手法との結果照合に信頼できるツールとして機能すること。

提案手法

• 記号的処理部（図の生成、振幅計算、解析的簡略化）と数値的処理部（モンテカルロ統合）の二部構造アーキテクチャを採用する。
• Feynman 図からの階層近似における行列要素の二乗を計算するための組み込み記号計算機を用いる。
• 高性能な数値評価のため、記号的表現から最適化された FORTRAN コードを生成する。
• モンテカルロ位相空間統合および運動的カットを伴うイベント生成に BASES&SPRING パッケージと統合する。
• メニュー駆動インターフェースによりモデルカスタマイズを可能にし、既存モデルをコピーして変更することで新しいモデルを定義できる。
• 初期状態の平均化および最終状態のスピン極化和を自動的に処理し、ユーザーのミスを低減するとともに効率性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして衝突物理におけるラグランジュアンから物理的観測量への移行を自動化し、高速化できるか？
• RQ2 統一されたソフトウェアパッケージが、階層レベルで複雑な 2→2 および 2→4 プロセスの断面積および分布をどれほど正確に計算できるか？
• RQ3 CompHEP パッケージは、さまざまな衝突環境下でのヒッグスおよびベクトルボソン生成の既知の結果をどれほど正確に再現できるか？
• RQ4 他の計算ツールや近似法によって得られた結果との照合に、このパッケージが信頼できるツールとして機能できるか？
• RQ5 運動的カットおよび正則化手法が、高エネルギープロセスにおけるモンテカルロ統合の安定性と正確性に与える影響はいかほどか？

主な発見

• CompHEP は、γe→νWH、γγ→t̄tH、e⁺e⁻→WZbb などのプロセスについて階層レベルの行列要素および断面積を正確に計算し、TeV スケールのエネルギー範囲でヒッグス-フェルミオン結合に高い感度を示すことを確認した。
• γe および γγ 衝突における W および Z ボソン生成の全断面積について、近似法との照合を経て高い一貫性を示し、正確に再現している。
• e⁺e⁻→μ⁺μ⁻bb̄ および e⁺e⁻→νν̄bb̄ などの 2→4 プロセスに関して、CompHEP は完全な階層レベル計算を可能にし、有効な 2→2 近似が閾値付近で不正確であることが明らかになった。
• e⁺e⁻ 衝突におけるシングルトップクォーク生成断面積が、高輝度でもわずか 10⁻⁵–10⁻⁶ pb にとどまり、Weizsäcker-Williams 近似の使用を支持する。
• CompHEP は、異常結合を含むベクター レプトクォーク生成の断面積を正確に解析的に計算でき、ep および γp 衝突機における発見の可能性が非常に高いことを示した。
• e⁺e⁻ 衝突機におけるベクトルボソン対と関連したヒッグス生成の独立した計算が CompHEP を用いて実施され、他の手法と優れた一致を示し、その信頼性ある照合ツールとしての有効性が検証された。