[论文解读] 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 41

一句话总结

本文在高能强子相互作用的Geant4模拟工具包中实现了字符串部分子模型——特别是弹性弦激发和夸克-胶子弦模型——的扩展。文中详细阐述了面向对象的设计、原子核建模、相互作用机制以及弦碎片化算法，并通过π介子和K介子轰击原子核的实验数据对模型进行了验证，结果在快度、横向动量和不变截面分布方面表现出良好一致性。

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.

研究动机与目标

• 将Geant4中的字符串部分子模型从核子诱发反应扩展至π介子和K介子诱发反应，以及重离子碰撞。
• 在Geant4中开发一个模块化、可扩展的面向对象框架，用于基于双重部分子和夸克-胶子弦模型模拟高能强子相互作用。
• 通过包含式反应的实验数据验证字符串部分子模型，特别是在喷注产生和Higgs玻色子衰变道背景下的表现。
• 通过真实的原子核建模和动量守恒，确保原子核结构与部分子动力学的精确模拟。
• 通过针对不同弦模型和强子类型定制的碎片化函数，实现对弦碎片化的精确建模。

提出的方法

• 将原子核建模为基于Wood-Saxon（重核）或谐振子（轻核）密度分布的空间与动量分布的质子和中子集合。
• 实现两种弦激发模型：通过类似Fritiof的动量交换实现的弹性弦激发，以及使用部分子密度函数和碎片化函数的夸克-胶子弦模型。
• 利用eikonal模型根据碰撞参数和质心系能量计算相互作用概率，并通过均匀采样选择参与相互作用的核子。
• 使用Lund或Kaidalov87碎片化函数进行纵向弦碎片化，每步分裂时产生夸克/反夸克或二夸克/反二夸克对。
• 从高斯分布（σ = 0.5 GeV）中采样横向动量，并通过为组分分配相反动量来保证总横向动量守恒。
• 迭代进行弦分裂，直至剩余弦能量不足以产生更多强子，强子的电荷与量子数由夸克/二夸克组成决定。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在Geant4中有效扩展字符串部分子模型，以模拟π介子和K介子轰击原子核的反应？
• RQ2 哪些面向对象设计模式能够实现多种弦模型与碎片化方案在Geant4中的模块化集成？
• RQ3 所实现的字符串部分子模型在高能π介子-原子核碰撞中对包含式强子产生实验数据的重现精度如何？
• RQ4 原子核建模——特别是核子的空间与动量分布——在模拟相干高能相互作用中起到何种作用？
• RQ5 不同的碎片化函数（Lund与Kaidalov87）如何影响夸克-胶子弦模型中强子化的模拟？

主要发现

• 在320 GeV能量下，Geant4中的字符串部分子模型成功再现了π-Mg反应的实验数据，对π⁺介子的快度与横向动量平方分布的模拟与实验结果高度一致。
• 在400 GeV能量下，π-Mg反应中夸克-胶子弦模型准确预测了不同散射角下的不变截面，与实验数据对比验证了其可靠性。
• 在夸克-胶子弦模型中实现Kaidalov87碎片化函数，为强子化提供了可靠描述，尤其适用于高横向动量强子。
• 采用Lund碎片化函数的弹性弦模型能有效模拟低多重性、高动量转移过程，且满足电荷与动量守恒。
• 面向对象设计支持多种模型的无缝集成，包括未来通过G4PhytaFragmentationInterface与Pythia等外部生成器的接口。
• 通过等效光子近似与矢量介子主导模型，实现了电子与γ介子-原子核相互作用的模拟，且夸克-胶子弦模型已适配用于虚拟光子相互作用。