04/05/2004 D. Giordano EvtGen SIMUB QQ Nature PYTHIA –JETSET … EvtGen - SIMUB 2 Generatori per...
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04/05/2004 D. Giordano
EvtGen SIMUB QQ Nature PYTHIA –JETSET …
EvtGen - SIMUB2 Generatori per la fisica del B
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen – Informazioni Generali
Originariamente sviluppato per lo studio di decadimenti semileptonici in CLEO (autori Anders Ryd, David Lange et al)
Esteso ad un generico decadimento di mesoni B per uso in BaBar
Adottato da molte collaborazioni (Belle, CDF, D0, LHCb, ATLAS) come principale B-decay package
Tunato sui dati delle B-factories
Scritto in C++ ( 25K linee di codice, più di 150 classi)
Testato su un’ampia varietà di piattaforme (DEC OSF, Sun SunOS, Intel Linux, ..)
Distribuzione pubblica del codice sorgente (EvtGen.tar) è reperibile all’indirizzo
http://www.slac.stanford.edu/~lange/EvtGen
Richiede gcc-3.2.1, CERNLIB 2000, CLHEP 1.8.0.0, ROOT 3.01.02
04/05/2004 D. Giordano
Perché usare EvtGen
Nella simulazione di una catena di decadimenti, EvtGen fa uso di
ampiezze complesse (anzicchè probabilità)
usa algebra spinoriale
Ciò permette di simulare correttamente
Effetti di interferenza CP-violation
Stati di elicità Distribuzioni angolari
L’uso delle ampiezze complesse consente di adottare nel codice una struttura modulare:
maggiore efficienza di selezione degli eventi
facile estensione a nuovi modelli di decadimento
04/05/2004 D. Giordano
Decadimenti Sequenziali
lDB *
**DDB
DD *
Molti decadimenti dei mesoni B hanno una struttura sequenziale
lDB *
**DDB
DD *
DD *
DD *DD *
DD *
Per simulare correttamente queste catena di decadimento occorre implementare solo i seguenti nodi nel decay tree.
lDB * **DDBDD * DD *
In genere l’ampiezza di decadimento di ciascun nodo è indipendente da come la particella madre è stata generata e da come le particelle figlie decadono
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: l’Algoritmo (I)
K
0dB J *0K
J
JA
KK
K
A*0
*0
*00
*0
KJBd
KJA
KKJKJB
KJ
KJ
d
KJAAAA
*0
*0
*0
*00
*0
KKJKJB
KJ
KJ
d
KJAAAA
*0
*0
*0
*00
*0
Implementazione generalmente usata in un generatore:
• si genera la cinematica dell’intero processo in base allo spazio delle fasi
• si calcola la probabilità (P)
• si seleziona o rigetta l’evento usando un algo accept-reject sulla base di P
Questo metodo ha 2 limitazioni:
occorre conoscere la massima probabilità P
accept-reject algo può essere inefficiente per lunghe decay chain
04/05/2004 D. Giordano
Monte Carlo TechniquesMonte Carlo techniques are often the only practical way to evaluate difficult integrals or to sample random variables governed by complicated probability density functions.
Most Monte Carlo sampling or integration techniques assume a “random number generator” which generates uniform statistically independent values on [0; 1).
Inverse transform method
• Probability density function f(x) on the range - < x < +,
• Cumulative distribution functionIf a is chosen with probability density f(a), then the integrated probability up to point a, F(a), is itself a random variable which will occur with uniform probability density on [0; 1].
This method is most convenient when one can calculate by hand the inverse function of the indefinite integral of f.
04/05/2004 D. Giordano
Acceptance-rejection method (Von Neumann)
Very commonly an analytic form for F(x) is unknown or too complex to work with,
Suppose that
• for any given value of x the probability density function f(x) can be computed
• we can enclose it inside a shape which is C * h(x) (uniform or normalized sum of uniform distributions)
To generate f(x):
1) generate a candidate x according to h(x);
2) calculate f(x) and the height of the envelope C h(x);
3) generate u and test if uC h(x) ≤ f(x).
If so, accept x; if not reject x and try again.
The efficiency is the ratio of areas, which must equal 1/C => keep C 1.
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: l’Algoritmo (II)
*0
*00
*00
2
KJ
d
KJd
KJB
BAP
In EvtGen la catena di decadimento è suddivisa in decadimenti elementari
*00 KJBd 1. Decadimento del B
Si genera la cinematica del processo e si calcola PB , finchè l’evento non passa accept-reject algo
2. Matrice densità
*0K
JJ
J
*00
*0
KJBd
KJA
**00
*0
KJBd
KJA
Descrive la J/dopo aver sommato su tutti i possibili gradi di libertà del K0*
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: l’Algoritmo (III)
JJ
SFPJ
J
JJ
J
JA *
J
JA
J3. Decadimento della J
SF: fattore di scala =
J
JJ Tr
1
5. Decadimento della K0* KK *0
JJ
KK
K *0
*0*0
J
JA *
J
JA
*00
*0
KJBd
KJA
**00
*0
KJBd
KJA
4. Matrice densità
*0*0
*0
KK
SFPK
*0
*0*0
K
KK
KK
K
A*0
*0 **0
*0
KK
K
A
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: Vantaggi nell’Algoritmo
L’uso delle matrici di densità di spin permette di generare ciascun nodo indipendentemente
Il metodo è generalizzato ad una decay chain arbitrariamente lunga
Il calcolo delle matrici di densità e delle probabilità è eseguito dal framework. Occorre solo specificare i modelli con cui calcolare le ampiezze di decadimento
Tuttavia
Non può essere tenuta in conto l’interferenza tra particelle appartenenti a differenti rami del decay tree
04/05/2004 D. Giordano
Modelli di Decadimento Ciascun modello è una classe che
eredita dalla classe base EvtDecayBase
Un modello può
descrivere differenti decadimenti (VSS)
essere specifico per un singolo decadimento (BTO4PICP)
EvtDecayAmp: calcolo delle ampiezze e simulazione completa delle distribuzioni angolari
EvtDecayProb: calcolo delle probabilità; ogni informazione di spin è perduta. Le particelle sono prive di polarizzazione e scorrelate
EvtDecayIncoherent: come EvtDecayProb, interfaccia ad altro generatore
04/05/2004 D. Giordano
Modelli Disponibili
• Modelli generali
• modelli specifici per violazione di CP
• Modelli per decadimenti semileptonici (fattori di forma)
• Dalitz
Specifici: D,
Generali: Pseudoscalare -> 3 Pseudoscalari
• FSR con l’uso di PHOTOS
Ci sono attualmente circa 80 modelli di decadimento implementati in EvtGen
04/05/2004 D. Giordano
Stati di particella
EvtParticle: classe base, porta informazioni come id, 4-impulso, puntatori alle particelle madre e figlie
Le classi derivate contengono la rappresentazione di spin delle particelle
Iteratori al decay tree ne consentono la navigazione, e la scrittura di un common block STDHEPTutte le proprietà delle particelle sono contenute nel file evt.pdl
Type name id Mass Width M-Mmin3*Q
2*SKC (JetSet)c
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: Decay table
• La tavola dei decadimenti (DECAY.DEC) è letta in fase di inizializzazione
• Si possono aggiungere e modificare le proprietà di decadimento di ciascuna particella, introducendo una decay table personale
• Si può definire l’alias di una particella, al fine di applicare una particolare condizione (regola di selezione, decay chain, modello) al solo alias e non a tutte le particelle identiche dell’evento.
BR Modello
parametri
Decadimento semileptonico di B, D, Ds
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: Esempi
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: confronto con i dati
Spettro inclusivo dell’energia del leptone nel decadimento B->
X
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen: CDF ATLAS
EvtGen può essere interfacciato a JetSet 7.4 per gestire
•frammentazione dei quark (ee->qq)
•decadimento dei mesoni B non presenti nella decay table
Esperimenti a macchine adroniche (CDF, ATLAS) hanno sviluppato a partire dal pacchetto base di EvtGen, un proprio framework per la generazione di eventi adronici dotato di user interface
ATLAS: ATHENA 7.3.0
PythiaEvtGen.txt, PythiaBEvtGen.txt, PythiaEvtGen_signal.txt
include i cambiamenti fatti da CDF e LHCb
(incoherent B mixing , beauty baryons, B0s mesons)
CDF: EvtGenModule, EvtGenInterface
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen @ CDFCP Violation and Flavour Mixing @ Hadron Collider:
EvtGen correctly generates the time dependence of decay for a wide variety of physics models.
However, it can not change the flavour of B meson produced by Pythia without screwing up the whole fragmentation process. Time integrated decay rates are thus not dealt with correctly whenever CP violating processes are involved.
EvtGen currently generate flavor mixing for Bs system and for Bd system excluding CP-violating decays
Just Bd -> J/ K0s correctly handles CP violation
Decays of BcBc decays for CDF version of EvtGen is implemented beginning with version V0-09-39-02
The Bc support now includes a full set of Bc decay channels based on a paper by V.V.Kiselev.
Properties of Bc meson include the mass (6.4.39 .13 GeV/c) and lifetime (0.46+.18 -.16
0.03 ps) come from CDF mesurements.
Phase space is used for most Bc semileptonic decays
04/05/2004 D. Giordano
EvtGen @ ATLAS
ATLAS usa Pythia o PythiaB per •simulare pp->b bbar -> X•far decadere i B via interazione forte o elettromagnetica,
e poi passa l’evento a EvtGen per il decadimento debole dei restanti B.
E’ possibile generare campioni di eventi b bbar inclusivi o relativi ad una particolare decay chain (PythiaEvtGen_signal.txt)
04/05/2004 D. Giordano
Validazione in ATLAS
B0d
K0*
J/
+
- K+
J/ K*
Confronto tra il modello SVV_HELAMP di EvtGen ed un generatore dedicato che usa pdf calcolate direttamente usando il formalismo di Elicità
•No mixing
•No CP-violation
04/05/2004 D. Giordano
SIMUB
Sviluppato per CMS da A.Bel’kov e S. Shulga
Motivazioni:
It includes all the theoretical refinements of B decay dynamics (time evolution, angular correlations, CKM matrix elements, CP violating phases).
In already existing generators the time-dependent spin angular correlations between the final-state particles are not included in the proper way for the so called “golden” decay
B0s(t),B0
s(t) → J/(μ+μ-) K+K-) (August 2001)
Testato su piattaforme Linux (RH 6.x, 7.x)
Documentazione e package
http://cmsdoc.cern.ch/~shulga/SIMUB/SIMUB.html
04/05/2004 D. Giordano
Struttura del programma
Formato compatibile con i tool di simulazione del rivelatore CMS
String fragmentation B meson prod.
04/05/2004 D. Giordano
Meccanismi di produzione b bbar
MSEL = 1 (Minimum bias)
• Massless matrix elements used for quark generation
• production rate of bb ~10-6
MSEL = 5 (bb production)
• Massive matrix elements
• bb pair at each generated event
At LHC energies NLO graph of FE, GS dominate
04/05/2004 D. Giordano
bbbar Kin. Distributions
LHC: s = 14 TeV
04/05/2004 D. Giordano
DatacardsTutti gli step della generazione sono gestibili dall’utente tramite datacards
PYTHIA decay of all particles except some selected particles decaying according to SIMUB
04/05/2004 D. Giordano
B decay
SIMUB fornisce 2 metodi per la simulazione di decadimenti del B:
• simulazione del decadimento in BB_dec, tenendo in conto la dinamica angolare (dynamical mode)
• simulazione del decadimento con PYTHIA usalndo il solo spazio delle fasi (PYTHIA mode)
04/05/2004 D. Giordano
Dynamical mode
Decadimento sequenziale a due corpiB0(t), B0
bar (t) -> b(b1b2) a(a1a2)
a,b mesoni vettori
Le distribuzioni angolari a1b1 sono governate da correlazioni spin-angolari
MC Method: sequential random generation of t, a1b1
f0
=
t
a1
b1
04/05/2004 D. Giordano
Spin-angular correlation
B0s(t) → J/(μ+μ-) K+K-).
(3.33 10-12 sec)
04/05/2004 D. Giordano
Decadimenti semileptonici
04/05/2004 D. Giordano
04/05/2004 D. Giordano
Status of Bc production
Nel luglio del 2003 gli autori di SIMUB scrivevano …
04/05/2004 D. Giordano
Conclusioni
La maggior parte delle collaborazioni ha scelto EvtGen per la sua modularità e l’adattabilità alle esigenze del singolo esperimento.
rapido sviluppo dei modelli
supporto da parte di più gruppi (autori e collaborazioni)
Per la simulazione in CMS (OSCAR-ORCA) è necessario completare le funzionalità di EvtGen scrivendo interfaccia (a la ATLAS)
Non è facile usufruire dei tool (ed adattarli) gia’ sviluppati dagli altri esperimenti.
SIMUB è stato già utilizzato in CMS
il framework è funzionante
Bc implementato ( già da circa 1 anno, sviluppo maturo???)
Forse è più complesso modificare i modelli
04/05/2004 D. Giordano
Future Plans
Installare SIMUB e EvtGen,
verificare semplicità/difficoltà di utilizzo
produrre eventi relativi ai canali di interesse (a solo livello di generatore)
confronto distribuzioni cinematiche
tempi di generazione
Indagare se è necessario (e quanto è complesso) implementare nuovi modelli di decadimento
04/05/2004 D. Giordano
Particle DecayPartial decay rate:
n-body phase space:
Two-body decays:
Three-body decays:
If the decaying particle is a scalar or we average over its spin states,