[论文解读] 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 45

一句话总结

本论文展示了来自MC4BSM-2012研讨会的全面、自定进度的计算机教程，指导用户通过自动化工作流程，从新物理模型的拉格朗日量生成完全强子化的蒙特卡罗事件样本，所用工具包括FeynRules、MadGraph、Pythia 8、Herwig++和Sherpa。其主要贡献在于建立了一套标准化、可复现的工作流程，可从模型拉格朗日量生成物理事件，从而实现对大型强子对撞机（LHC）新物理场景的高效模拟。

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.

研究动机与目标

• 提供一种标准化、端到端的工作流程，用于在大型强子对撞机（LHC）上模拟新物理模型。
• 通过自动化工具，简化从理论拉格朗日量到完整模拟对撞事件的转换过程。
• 通过快速实现模型和生成事件，支持实验与理论研究。
• 通过提供详细且平台无关的安装与使用说明，提升非专家用户对蒙特卡罗工具的可及性。
• 通过统一模型构建与模拟工作流，促进理论家与实验家之间的协作。

提出的方法

• 使用FeynRules或LanHEP，直接从用户定义的新物理模型拉格朗日量推导费曼规则。
• 利用MadGraph或CalcHEP，从推导出的费曼规则生成矩阵元|M|²。
• 使用MadGraph或CalcHEP生成部分子级事件，其分布遵循矩阵元和相空间。
• 将部分子级事件传递给通用发生器如Pythia 8或Herwig++，以模拟辐射、强子化和衰变过程。
• 使用Les Houches协定（LHA）格式，连接部分子级与完整事件生成器。
• 采用Sherpa作为替代性统一框架，一步完成矩阵元与部分子辐射的生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将新物理模型的拉格朗日量自动转换为完整的蒙特卡罗事件样本？
• RQ2 从新物理模型生成对撞事件的最高效且可复现的工作流程是什么？
• RQ3 不同蒙特卡罗工具（如MadGraph与Sherpa）在生成真实事件样本方面有何差异？
• RQ4 从拉格朗日量到事件生成的自动化过程中，面临哪些关键技术挑战？
• RQ5 如何使整个工作流在不同计算平台上均具备可访问性与可移植性？

主要发现

• 该教程成功演示了一套从拉格朗日量到强子化事件的全自动工作流程，所用工具相互兼容。
• 使用FeynRules和LanHEP可准确且系统地从任意新物理拉格朗日量推导费曼规则。
• 使用MadGraph和CalcHEP生成的部分子级事件，其矩阵元与微扰量子场论计算结果一致。
• Pythia 8和Herwig++成功模拟了QCD的现实效应，如部分子辐射、强子化和底流事件。
• Sherpa采用的矩阵元与部分子辐射合并方法，生成的不变质量分布比树图级预测更加平滑。
• Sherpa中引入的CKKW合并与NLO-PS匹配技术，显著提升了$pp \to e^+e^-$过程背景预测的准确性。