[論文レビュー] Next Generation Multi-particle event generators for the MSSM

Jürgen Reuter, K. Hagiwara+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、LHCおよびILCにおけるMSSMにおける多粒子最終状態の精度高いシミュレーションを目的として、次世代のモンテカルロイベントジェネレータ―3つ—Madgraph/MadEvent、WHiZard/O’Mega、Sherpa/Amegic++—を提示する。これらのツールは、非オーバーラップ効果、完全なスピン相関、実際の放射、複雑なバックグラウンドを組み込み、すべての3つのコード間で完全な数値的一致が確認された広範なクロスチェックを経て、超対称性の素粒子物理学における将来のシミュレーションのベンチマークを確立する。

ABSTRACT

We present a next generation of multi-particle Monte Carlo (MC) Event generators for LHC and ILC for the MSSM, namely the three program packages Madgraph/MadEvent, WHiZard/O'Mega and Sherpa/Amegic++. The interesting but difficult phenomenology of supersymmetric models at the upcoming colliders demands a corresponding complexity and maturity from simulation tools. This includes multi-particle final states, reducible and irreducible backgrounds, spin correlations, real emission of photons and gluons, etc., which are incorporated in the programs presented here. The framework of a model with such a huge particle content and as complicated as the MSSM makes strenuous tests and comparison of codes inevitable. Various tests show agreement among the three different programs; the tables of cross sections produced in these tests may serve as a future reference for other codes. Furthermore, first MSSM physics analyses performed with these programs are presented here.

研究の動機と目的

• LHCおよびILCの物理学に不可欠である、MSSMにおける複雑な多粒子最終状態をシミュレートできる高度なモンテカルロイベントジェネレータの開発。
• Pythia や Herwig のようなレガシージェネレータの限界を克服し、ゲージ不変な振幅における非オーバーラップ効果、スピン相関、実際の放射を統合すること。
• 包括的なクロスチェックとユニタリティテストを通じて、独立した実装間での数値的一致性と信頼性を保証すること。
• 干渉項やビームエネルギー分散、初期状態放射（ISR）などの現実的な加速器効果を含む、MSSMの信号およびバックグラウンドの精密な研究を可能にすること。
• 将来の次-leading order以降のシミュレーションに向け、公開可能で拡張可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 行列要素生成のためのヘリシティ振幅形式を用い、トップダウン式の図生成と部分振幅の再利用により、重複を回避する。
• 反復的チャネル重み最適化を施したマルチチャネルの適応的位相空間統合を実装し、サンプリング効率を向上させる。
• O’Megaでは有向非巡回グラフ（DAGs）、SherpaおよびMadgraphではトポロジーに基づく図チェインジングを用いて、寄与するフェイニマン図を体系的に生成する。
• Pythia（MadEventおよびWHiZardで使用）とのインターフェースや、Sherpaにおける内部的なCKKWベースのマージングを介して、クォークやグルーオンの強い相互作用効果を統合する。
• スピン密度行列と構造関数を用いて、ビームストラウル、ビームエネルギー分散、偏光ビームなどの現実的な加速器効果を統合する。
• SLHAベースのスペクトル入力と、ユニタリティ、ゲージ不変性、超対称性のWard恒等式を用いた厳密な検証により、一貫性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 独立した多粒子イベントジェネレータが、8個以上の最終状態粒子を含む複雑なMSSM過程において、数値的一致を達成できるか？
• RQ2 次世代ジェネレータは、超対称性カスケード崩壊における非オーバーラップ効果、スピン相関、実際の放射をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ3 これらのツールは、ビームエネルギー分散や初期状態放射を含む、LHCおよびILCの現実的な環境をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ4 3つのコードが、主要な2→2および2→3 MSSM過程において同一の断面積および運動量分布を再現できるか？これにより、内部のフェイニマンルール実装の妥当性が検証される。
• RQ5 次-leading orderでの仮想放射修正を含めるための拡張の可能性と影響は何か？

主な発見

• 独立した3つのイベントジェネレータ—Madgraph/MadEvent、WHiZard/O’Mega、Sherpa/Amegic++—は、テストされたすべての2→2および2→3 MSSM過程において完全な数値的一致を達成した。
• ほぼすべての2→2および2→3散乱振幅について、ユニタリティおよびゲージ不変性が正常に検証され、MSSM頂点および対称性の正しく実装されていることが確認された。
• 超対称性のWard恒等式およびSlavnov-Taylor恒等式が確認され、基礎的な超対称性代数と整合していることが示された。
• 非オーバーラップ効果や実際の光子・グルーオン放出を含む、8個以上の粒子を含む複雑な最終状態を、これらプログラムが正常にシミュレートできた。
• バックグラウンドおよびハドロン環境を含む、MSSM物理学の最初の完全な解析が、3つのツールすべてで正常に実施され、精度物理学に向けた準備が整っていることが検証された。
• これらのフレームワークは公開可能で拡張可能であり、今後のQCDおよびQEDにおける次-leading orderのシミュレーションの堅実な基盤を形成している。