[論文レビュー] From Lagrangians to Events: Computer Tutorial at the MC4BSM-2012 Workshop

Stefan Ask, Neil D. Christensen+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、MC4BSM-2012ワークショップから得られた包括的で自己学習可能なコンピュータチュートリアルを提示しており、FeynRules、MadGraph、Pythia 8、Herwig++、Sherpaなどのツールを用いて、標準模型を越えた理論のラグランジアンから完全にハドロン化されたモンテカルロイベントサンプルへの自動パイプラインをユーザーがガイドされる。主な貢献は、モデルのラグランジアンから物理的イベントを生成するための標準化され、再現可能なワークフローを提供することであり、LHCにおける新しい物理現象のシミュレーションを効率的に行えるようにする。

ABSTRACT

This is a written account of the computer tutorial offered at the Sixth MC4BSM workshop at Cornell University, March 22-24, 2012. The tools covered during the tutorial include: FeynRules, LanHEP, MadGraph, CalcHEP, Pythia 8, Herwig++, and Sherpa. In the tutorial, we specify a simple extension of the Standard Model, at the level of a Lagrangian. The software tools are then used to automatically generate a set of Feynman rules, compute the invariant matrix element for a sample process, and generate both parton-level and fully hadronized/showered Monte Carlo event samples. The tutorial is designed to be self-paced, and detailed instructions for all steps are included in this write-up. Installation instructions for each tool on a variety of popular platforms are also provided.

研究の動機と目的

• LHCにおける標準模型を越えた物理学をシミュレートするための標準化され、エンドツーエンドのワークフローを提供すること。
• 理論的ラグランジアンから完全にシミュレートされた衝突イベントに至るまでの移行を自動化ツールを用いて簡略化すること。
• 迅速なモデル実装とイベント生成を可能にすることで、実験的および臨床的研究を支援すること。
• 詳細でプラットフォームに依存しないインストールおよび使用手順を提供することで、モンテカルロツールの非専門家へのアクセス性を向上させること。
• モデル構築とシミュレーションパイプラインを統一することで、理論家と実験家との協力を促進すること。

提案手法

• ユーザーが定義したBSMラグランジアンから直接ファインマン規則を導出するために、FeynRules もしくは LanHEP を使用する。
• 導出されたファインマン規則から、MadGraph もしくは CalcHEP を用いて行列要素 |M|² を生成する。
• 生成された行列要素とフェーズスペースに従って、パートオンレベルのイベントを MadGraph もしくは CalcHEP で生成する。
• シャワーエフェクト、ハドロン化、崩壊シミュレーションを実行するために、一般用途のジェネレータ（Pythia 8 や Herwig++）にパートオンレベルのイベントを渡す。
• パートオンレベルと完全なイベントジェネレータのインターフェースを実現するために、Les Houches Accord (LHA) 形式を用いる。
• マトリクス要素とパートオンシャワー生成を1ステップで統合する代替フレームワークとして、Sherpa を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BSMモデルのラグランジアンを、完全なモンテカルロイベントサンプルに自動的に変換する方法は何か？
• RQ2 新しい物理モデルから衝突イベントを生成する際、最も効率的かつ再現可能なワークフローは何か？
• RQ3 MadGraph と Sherpa などの異なるモンテカルロツールは、どのようにリアルなイベントサンプルを生成するか比較できるか？
• RQ4 ラグランジアンからイベント生成への自動化移行における主な技術的課題は何か？
• RQ5 このパイプラインを、さまざまなコンピューティングプラットフォームで利用可能かつポータブルにできるか？

主な発見

• チュートリアルは、相互に連携可能なツールのスイートを用いて、ラグランジアンからハドロン化イベントに至る完全な自動パイプラインを成功裏に実証した。
• FeynRules と LanHEP の使用により、任意のBSMラグランジアンから正確かつ体系的にファインマン規則を導出できる。
• MadGraph と CalcHEP を用いたパートオンレベルのイベント生成は、摂動的量子場理論計算と整合する行列要素を生成した。
• Pythia 8 と Herwig++ は、QCD効果（例えば、パートオンシャワー、ハドロン化、基礎状態イベント）を的確にシミュレートした。
• Sherpa のマトリクス要素とパートオンシャワーを統合した手法は、木レベルの予測と比較して滑らかなインバリアント質量分布を生成した。
• Sherpa における CKKW マージングと NLO-PS マッチングの導入により、$pp \to e^+e^-$ 反応のバックグラウンド予測の精度が顕著に向上した。