[논문 리뷰] From Lagrangians to Events: Computer Tutorial at the MC4BSM-2012 Workshop

Stefan Ask, Neil D. Christensen외 10명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 MC4BSM-2012 워크숍에서 제공한 종합적이고 자율적인 컴퓨터 튜토리얼을 제시하며, FeynRules, MadGraph, Pythia 8, Herwig++, 그리고 Sherpa와 같은 도구를 사용하여 라그랑지안에서부터 완전히 하드론화된 몬테카를로 이벤트 샘플에 이르는 자동화된 파이프라인을 사용자가 안내받는다. 주요 기여는 모델 라그랑지안에서부터 물리적 이벤트를 생성하기 위한 표준화되고 재현 가능한 워크플로우를 제공함으로써, LHC에서 새로운 물리 현상의 시뮬레이션을 효율적으로 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 라그랑지안에서부터 시작하여 완전히 시뮬레이션된 충돌 이벤트에 이르는 표준화된 종단 간 워크플로우를 제공하기 위해.
• 자동화된 도구를 사용하여 이론적 라그랑지안에서부터 완전히 시뮬레이션된 충돌 이벤트로의 전환을 간소화하기 위해.
• 빠른 모델 구현과 이벤트 생성을 가능하게 하여 실험 및 현상학적 연구를 지원하기 위해.
• 세부적이고 플랫폼에 종속되지 않는 설치 및 사용 지침을 통해 몬테카를로 도구의 비전문가 접근성을 향상시키기 위해.
• 모델 구축과 시뮬레이션 파이프라인을 통합함으로써 이론가와 실험가 간의 협업을 촉진하기 위해.

제안 방법

• 사용자가 정의한 BSM 라그랑지안에서 직접 피존 규칙을 유도하기 위해 FeynRules 또는 LanHEP를 사용한다.
• 유도된 피존 규칙에서 MadGraph 또는 CalcHEP를 사용하여 행렬 요소 |M|²를 생성한다.
• 유도된 행렬 요소와 양자역학적 위상공간에 따라 파르톤 수준의 이벤트를 생성한다.
• 파르톤 수준의 이벤트를 Pythia 8 또는 Herwig++와 같은 일반 목적의 생성기로 전달하여 샤워, 하드론화, 붕괴 시뮬레이션을 수행한다.
• 파르톤 수준 생성기와 전체 이벤트 생성기 간의 인터페이스로 레스 쿠르 아코르(Les Houches Accord, LHA) 형식을 사용한다.
• MadGraph와 같은 단일 단계에서 행렬 요소와 파르톤 샤워 생성을 통합한 Sherpa를 대체 프레임워크로 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 BSM 모델의 라그랑지안이 완전한 몬테카를로 이벤트 샘플로 자동으로 변환될 수 있는가?
• RQ2 새로운 물리 모델에서 충돌 이벤트를 생성하기 위한 가장 효율적이고 재현 가능한 워크플로우는 무엇인가?
• RQ3 다른 몬테카를로 도구들(예: MadGraph 대비 Sherpa)은 어떻게 현실적인 이벤트 샘플을 생성하는가?
• RQ4 라그랑지안에서 이벤트 생성으로의 자동 전환 과정에서의 주요 기술적 과제는 무엇인가?
• RQ5 전체 파이프라인이 다양한 컴퓨팅 플랫폼 간에서 접근 가능하고 이식 가능하게 만들 수 있는가?

주요 결과

• 튜토리얼은 상호운용 가능한 도구 세트를 사용하여 라그랑지안에서 하드론화된 이벤트에 이르는 완전히 자동화된 파이프라인을 성공적으로 구현하였다.
• FeynRules와 LanHEP의 사용은 어떤 BSM 라그랑지안에서라도 정확하고 체계적인 피존 규칙 유도를 가능하게 한다.
• MadGraph와 CalcHEP를 사용한 파르톤 수준 이벤트 생성은 양자장론의 페르미온 이론 계산과 일치하는 행렬 요소를 생성한다.
• Pythia 8과 Herwig++는 QCD 효과, 즉 파르톤 샤워, 하드론화, 바탕 이벤트를 현실적으로 시뮬레이션한다.
• Sherpa의 통합된 행렬 요소 및 파르톤 샤워 접근법은 트리 수준 예측에 비해 더 부드러운 진동 질량 분포를 생성한다.
• Sherpa에 포함된 CKKW 융합 및 NLO-PS 매칭은 $pp \to e^+e^-$ 과정의 배경 예측 정확도를 크게 향상시킨다.