[論文レビュー] String Parton Models in Geant4

G. Folger, J.P. Wellisch|ArXiv.org|Jun 2, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 41

ひとこと要約

本論文では、高エネルギー核子間相互作用におけるGeant4シミュレーションツールキット内でのストリングパートンモデルの実装および拡張を提示している。具体的には、微小散乱ストリング励起モデルおよびクォーク-グルーオンストリングモデルを対象としている。オブジェクト指向設計、原子核モデル、相互作用メカニズム、ストリング断片化アルゴリズムの詳細を示し、パイオンおよびカリオン誘発反応における実験データと比較して妥当性を検証した。迅速性、横方向運動量、および不変断面積分布において良好な一致が得られた。

ABSTRACT

Dual parton and quark gluon string model are the by now almost standard theoretical techniques by which one can arrive at precision description of high energy, soft, inclusive reactions. These reactions make the part of jets at energies that contribute strongly to discovery channels such as H$ o$WWjj, or search for compositeness at the highest transverse momenta. The above modeling approach is available with Geant4 for nucleon induced reactions since the first release. Its object oriented design and parameter set was recently extended to allow for simulation of pion and kaon induced reactions, as well as heavy ion reactions. We will briefly describe the theory and algorithmic approaches that underly the modeling, show the object oriented designs and component structure of the string parton sub-systems of Geant4, present validation/verification results pertaining to these models, as well as results concerning their usage in calorimeter simulation.

研究の動機と目的

• Geant4のストリングパートンモデルを、核子誘発反応にとどまらず、パイオンおよびカリオン誘発反応、さらには重イオン衝突にも拡張すること。
• 二重パートンおよびクォーク-グルーオンストリングモデルを用いた高エネルギー核子間相互作用をシミュレートするための、モジュラーで拡張可能なオブジェクト指向フレームワークをGeant4内に開発すること。
• インクルーシブ反応、特にジェット生成およびヒッグス崩壊チャネルの文脈において、ストリングパートンモデルを実験データと照合すること。
• 現実的な原子核モデルと運動量保存則の適用により、原子核構造およびパートンダイナミクスを正確にシミュレートすること。
• 異なるストリングモデルおよびハドロン種別に対応した特化した断片化関数を用いて、ストリング断片化を高精度でモデル化すること。

提案手法

• 原子核を、ウッド＝サクソングの密度プロファイル（重い原子核）または調和振動子（軽い原子核）に基づく空間的および運動量的分布を持つ陽子と中性子の集合体としてモデル化する。
• 2つのストリング励起モデルを実装する：微小散乱ストリング励起（Fritiof風の運動量交換を介して）、およびクォーク-グルーオンストリングモデル（パートン密度関数および断片化関数を用いる）。
• 影響母数および重心系エネルギーに基づく相互作用確率を計算するためにアイケノイドモデルを用い、均一なサンプリングにより相互作用するヌクレオンを選択する。
• 縦方向ストリング断片化に、LundまたはKaidalov87断片化関数を適用し、各分割ステップでクォーク/反クォークまたはダイクォーク/反ダイクォーク対の生成を実行する。
• 横方向運動量を平均0、標準偏差σ = 0.5 GeVのガウス分布からサンプリングし、全横方向運動量を保存するために、生成粒子に逆向きの運動量を割り当てる。
• 残存ストリングエネルギーがさらなるハドロン生成に不十分なまでに低下するまで、ストリング分割を繰り返す。ハドロンの電荷および量子数は、クォークまたはダイクォークの内容によって決定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてGeant4内でのストリングパートンモデルを、パイオンおよびカリオン誘発反応の原子核への応用に効果的に拡張できるか？
• RQ2 複数のストリングモデルおよび断片化スキームをGeant4内にモジュラーに統合するための、オブジェクト指向設計パターンは何か？
• RQ3 実装されたストリングパートンモデルは、高エネルギーパイオン-原子核衝突におけるインクルーシブハドロン生成に関して、実験データをどれほど正確に再現するか？
• RQ4 原子核モデル、特にヌクレオンの空間的および運動量的分布は、一貫性のある高エネルギー相互作用をシミュレートする上でどのような役割を果たすか？
• RQ5 LundとKaidalov87の異なる断片化関数は、クォーク-グルーオンストリングモデルにおけるハドロン化シミュレーションにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 320 GeVのパイオン-Mg反応において、Geant4内でのストリングパートンモデルは、π⁺メソンの迅速性および横方向運動量の二乗分布に関して、実験データと良好に一致した。
• 400 GeVのパイオン-Mg反応において、クォーク-グルーオンストリングモデルは、さまざまな散乱角度における不変断面積を正確に予測しており、実験データと照合された。
• クォーク-グルーオンストリングモデルにKaidalov87断片化関数を実装することで、特に高横方向運動量ハドロンのハドロン化が信頼性高く記述された。
• Lund断片化関数を用いた微小散乱ストリングモデルは、低多重度・高運動量転送過程を、適切な電荷および運動量保存則を満たして効果的にシミュレートできた。
• オブジェクト指向設計により、複数のモデルのシームレスな統合が可能であり、Pythiaなどの外部ジェネレータとG4PhytaFragmentationInterfaceを介して接続する可能性も示された。
• 電磁およびガンマ-原子核反応のシミュレーションは、等価光子近似およびベクトルメソン支配モデルを用いて可能となり、クォーク-グルーオンストリングモデルは仮想光子反応に対応して改造された。