[論文レビュー] Project "CalcPHEP: Calculus for Precision High Energy Physics"

D.Y. Bardin, Giampiero Passarino+5 more|ArXiv.org|Feb 1, 2002

Computational Physics and Python Applications参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

CalcPHEP は、$1\to2$、$2\to2$、および特定の $2\to3$ 衰退のプロセスについて、ラグランジアンから現実的な1ループ観測量へのチェーンを自動化する、インターネットベースの4段階の計算システムを提案する。FORM3、C++、Java を統合して解析的振幅の生成、赤外再配置の処理、モンテカルロイベントジェネレータの作成を実施し、2004年までに $Z$ および $W$ 衰退の1ループ精度での完全自動化を計画している。

ABSTRACT

In this paper we describe the present status and our plans for the realization of next phases of the CalcPHEP project aimed at the theoretical support of experiments at modern and future accelerators: TEVATRON, LHC, electron Linear Colliders (LC's) i.e. TESLA, NLC, CLIC, and muon factories. Within this project, we are creating a four-level computer system which eventually must automatically calculate pseudo- and realistic observables for more and more complicated processes of elementary particle interactions, using the principle of knowledge storing. The first phase of the CalcPHEP system was realized in the site http://brg.jinr.ru/ in 2000--2001.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学における精度計算を、ラグランジアンから現実的な微分断面積まで完全に自動化し、インターネットでアクセス可能なシステムを構築すること。
• $1\to2$、$2\to2$、および特定の $2\to3$ プロセスについて1ループ精度を達成し、$Z\to f\bar{f}\gamma$ のような放射性衰退を含めること。
• 解析的1ループ振幅とモンテカルロイベントジェネレータを統合し、多粒子最終状態の現実的なシミュレーションを可能にすること。
• LHC、TESLA、NLC、CLIC、およびミューオンファクトリーなどの将来の実験を、スケーラブルでモジュラーなソフトウェアアーキテクチャによってサポートすること。
• フェイニマン規則、図のトポロジー、振幅成分といった知識を保存・再利用可能なフレームワークを構築すること。

提案手法

• システムは4段階の構造を持つ：(1) FORM3 を用いた解析的1ループ振幅計算；(2) UVおよびIR有限部の抽出；(3) 複数光子の指数化のための赤外再配置；(4) FORTRAN や C++ を介したモンテカルロイベントジェネレータへの統合。
• コアエンジンは、1ループフェイニマン振幅の記号的計算に FORM3 を使用し、標準模型ラグランジアンからフェイニマン規則を自動生成する。
• リレーショナルデータベース（mySQL）がソースコードおよび中間結果を格納し、JavaベースのWebインターフェース（初期はPHP、相互作用性向上のためJavaに移行）を通じてアクセス可能である。
• 中間結果（例：擬似観測量）への直接アクセスと、完全なイベントジェネレータ出力の両方をサポートし、オンデマンドでのリアルタイム計算を可能にする。
• 中間アクセス原理に従うアーキテクチャであり、ユーザーは任意の段階から入力可能（例：直接イベントジェネレータにアクセス、またはラグランジアンから振幅まで追跡可能）。
• 将来の2ループ計算をサポートするように設計されており、段階3では図のトポロジー生成の自動化とグラフィカル出力の研究開発が予定されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、標準模型ラグランジアンから現実的な微分分布まで1ループ観測量を計算する、完全に自動化され、インターネットでアクセス可能なシステムを設計できるか？
• RQ2 複雑なプロセスにおける解析的1ループ振幅とそれらのモンテカルロイベントジェネレータへの統合をサポートする最適なモジュラー・アーキテクチャは何か？
• RQ3 高精度物理学の1ループ計算において、赤外発散および複数光子放出を体系的に取り扱うにはどうすればよいか？
• RQ4 スケーラブルでインタラクティブかつ共同開発可能な高エネルギー物理学計算システムの開発に適した技術スタック（FORM3、C++、Java、mySQL）は何か？
• RQ5 半解析的手法（例：ZFITTER）から、高エネルギー衝突機における多粒子最終状態の完全なモンテカルロシミュレーションへの移行をどのように支援できるか？

主な発見

• 2002年初頭には、CalcPHEP のバージョン 0.02d が、$1\to2$ および $2f\to2f$ の中性荷電-current プロセスの1ループ衰退幅を正常に計算し、一時的に段階4をスキップした。
• $Z\to f\bar{f}$ 衰退について、放射修正を含め、完全な1ループ精度を達成した。段階2〜4は、段階2終了時点で最も単純な $Z$ 衰退について完了した。
• 放射性衰退 $Z\to f\bar{f}\gamma$ は活発に開発中であり、段階1〜4は段階2で完了予定である。
• システムは http://brg.jinr.ru/ にホスティングされ、Apache、FORM3、mySQL、PHP を使用しており、相互作用性と共同作業の向上のため、継続的にJavaへの移行が進行中である。
• 将来の2ループ計算の基盤が確立され、フェイニマン規則および図のトポロジー生成の自動化に関する研究開発が進められている。
• ノックスビル–クラコフチームとの共同作業により、解析的結果とモンテカルロジェネレータの統合が実現され、将来の衝突機における複雑な最終状態のシミュレーションに不可欠となった。