[論文レビュー] Monte Carlo event generators for high energy particle physics event simulation

A. G. Buckley, Frank Krauss+41 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー素粒子物理学におけるモンテカルロイベントジェネレータ（MCEG）の現状と今後の開発ニーズを概説し、摂動QCDおよび電弱計算の改善、パートオンシャワーの精度、非摂動的モデル化、ソフトウェア効率性の向上を強調している。LHCおよび将来のコライダー実験に適応させるために、MCEGが継続的に重要なツールのままでいられるよう、資金援助の継続とコミュニティ連携の促進を提言している。

ABSTRACT

Monte Carlo event generators (MCEGs) are the indispensable workhorses of particle physics, bridging the gap between theoretical ideas and first-principles calculations on the one hand, and the complex detector signatures and data of the experimental community on the other hand. All collider physics experiments are dependent on simulated events by MCEG codes such as Herwig, Pythia, Sherpa, POWHEG, and MG5_aMC@NLO to design and tune their detectors and analysis strategies. The development of MCEGs is overwhelmingly driven by a vibrant community of academics at European Universities, who also train the next generations of particle phenomenologists. The new challenges posed by possible future collider-based experiments and the fact that the first analyses at Run II of the LHC are now frequently limited by theory uncertainties urge the community to invest into further theoretical and technical improvements of these essential tools. In this short contribution to the European Strategy Update, we briefly review the state of the art, and the further developments that will be needed to meet the challenges of the next generation.

研究の動機と目的

• モンテカルロイベントジェネレータ（MCEG）が理論と実験をつなぐ基盤的ツールとして果たす役割を評価すること。
• 現在のシミュレーション能力を制限する理論的精度、パートオンシャワーの精度、非摂動的モデル化における重要なギャップを特定すること。
• 素粒子物理学におけるコア研究分野としてのMCEG開発に、継続的投資とコミュニティ連携を促進すること。
• 将来のコライダー実験が求める高い精度と計算効率性を満たせるよう、MCEGが対応できるようにすること。

提案手法

• MCEGフレームワークに次々に次流（NNLO）QCDおよび混合QCD-電弱計算を体系的に統合すること。
• サブリーダー色補正を含めた次々に次流対数（NNLL）精度まで向上したパートオンシャワーの発展。
• 振幅レベルの進化と解析的再まとめを用いて、固定順序計算とパートオンシャワーをより高い精度で統合すること。
• より強い理論的根拠を持つ、ハドロン化や複数パートオン相互作用の改善された効果的モデルの開発。
• マルチコアおよびベクトル化されたシステムを含む、現代のハイパフォーマンスコンピューティングアーキテクチャへのソフトウェアスタックの適合。
• LHAPDF、HepMC、Rivet、Professorといった共有コミュニティコンポーネントの拡張および保守により、検証、チューニング、コード再利用を支援すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MCEGは、LHC解析における理論的不確実性を低減するために、QCDおよび電弱理論でNNLO精度を達成できるか？
• RQ2 多様な観測量にわたってNNLL再まとめ精度に到達するため、パートオンシャワーアルゴリズムにどのような改善が必要か？
• RQ3 ハドロン化のような非摂動的効果の効果的モデルは、より良い理論的基盤をもってどのように改善できるか？
• RQ4 現代のHPCシステムで効率的であるために、MCEGにどのような構造的・アーキテクチャ的変更が必要か？
• RQ5 パフォーマンスボトルネックを回避するため、コミュニティ全体で使用されるソフトウェアコンポーネントをどのように保守・最適化できるか？

主な発見

• Herwig、Pythia、Sherpa、POWHEG、MG5_aMC@NLOなどのMCEGは、すべてのコライダー実験における検出器設計および解析戦略において不可欠なツールである。
• MCEGの開発は主にヨーロッパの大学に所属する学術グループによって推進されており、MCnetITN3のようなイニシャチブが支援している。
• 今後の進展は、NNLO QCDおよび混合QCD-電弱計算の体系的統合、およびNNLL順序までのパートオンシャワー精度の向上に依存する。
• 高精度物理学のためには、ハドロン化や複数パートオン相互作用のような非摂動的効果のモデル化を強化する必要がある。
• Rivet や Professor といった共有ソフトウェアコンポーネントは、検証とチューニングに不可欠であるが、パフォーマンスボトルネックを解消するための継続的コミュニティ支援が不可欠である。
• MCEG開発を独立した研究分野として認識し、継続的資金援助を確保することが、将来のコライダー計画における高精度シミュレーションの発展に不可欠である。