[论文解读] Accelerating LHC phenomenology with analytic one-loop amplitudes: A C++ interface to MCFM

John M. Campbell, Stefan Höche+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 64被引用 5

一句话总结

本文提出了一种MCFM的C++接口，通过直接访问关键标准模型过程的预计算解析振幅，显著加速了大型强子对撞机（LHC）理论物理中的一圈矩阵元计算。通过跳过数值环积分，该接口相较于自动一圈计算工具实现了高达100倍的加速，显著提升了高统计量事件生成和高亮度LHC时代高精度固定阶计算的效率。

ABSTRACT

The evaluation of one-loop matrix elements is one of the main bottlenecks in precision calculations for the high-luminosity phase of the Large Hadron Collider. To alleviate this problem, a new C++ interface to the MCFM parton-level Monte Carlo is introduced, giving access to an extensive library of analytic results for one-loop amplitudes. Timing comparisons are presented for a large set of Standard Model processes. These are relevant for high-statistics event simulation in the context of experimental analyses and precision fixed-order computations.

研究动机与目标

• 解决高亮度LHC中一圈矩阵元计算的计算瓶颈问题，该问题导致计算需求超过现有资源供给。
• 通过用预计算的解析振幅替代数值一圈计算工具，降低高精度标准模型预测的计算成本。
• 通过提供高性能、可重用的MCFM解析结果C++接口，实现高效、高统计量的事件生成与固定阶计算。
• 促进与SHERPA和PYTHIA等主要事件生成器的集成，以支持NLO修正及未来对撞机物理研究。

提出的方法

• 开发MCFM的C++接口，直接访问标准模型中2→n过程（n≤4）的解析一圈振幅库。
• 优化接口仅计算请求的 partonic 通道，避免标准MCFM中需计算所有通道所带来的开销。
• 实现复质量方案处理传播子，并支持非对角的CKM矩阵，确保与高精度理论物理的一致性。
• 通过结构化的C++类暴露矩阵元，提供通过PDG编号和相空间点初始化过程的方法，并可检索洛朗级数系数。
• 通过配置开关选择性输出有限项、极点项和Born项，以满足不同计算需求。
• 与OpenLoops2、Recola2和MadLoop5等成熟工具进行验证，确认矩阵元数值结果完全一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 与数值一圈计算工具相比，预计算的解析一圈振幅是否能显著降低LHC理论物理的计算成本？
• RQ2 MCFM的C++接口在多大程度上能加速实验分析中高统计量事件生成的矩阵元计算？
• RQ3 在一系列标准模型过程中，该解析接口的性能与自动一圈程序相比如何？
• RQ4 该接口是否能无缝集成到SHERPA和PYTHIA等主要事件生成器中以支持NLO修正？
• RQ5 在高精度高能物理计算中，用解析计算替代数值计算时，矩阵元计算的最大可实现加速比是多少？

主要发现

• 该C++接口在广泛的标准模型过程中，相较于OpenLoops2和MadLoop5等自动一圈计算工具，实现了高达100倍的加速。
• 接口正确重现了OpenLoops2、Recola2和MadLoop5的矩阵元结果，数值完全一致，验证了其准确性。
• 在具有复杂相空间结构的进程中，性能提升最为显著，因为这些过程的数值积分速度最慢。
• 接口支持复质量方案和非对角CKM矩阵，确保与高精度理论物理的一致性。
• 该方法可实现高效、面向特定过程的计算，避免了所有部分子道的冗余计算，显著降低了计算开销。
• 该接口已成功集成至SHERPA，并计划集成至PYTHIA 8.3，证明其与主要事件生成器具有广泛的兼容性。