Для исследования отклика
детектора на различные физические процессы, созданы программы, позволяющие
перевести моделированное на уровне частиц событие взаимодействия протонов
при соударении в формат представления данных детекторов установки ATLAS. Алгоритмы моделирования
интегрированы в программную оболочку эксперимента ATLAS, именуемую Athena, использующую
программный пакет GEANT4
[1,2].
Генератор события создает
набор частиц, который направляется в программу быстрого или полного
моделирования детектора. Генераторы событий встроены в Athena. Используется большое
число других, поддерживаемых авторами, генераторов, которые имеют блоки связи
для использования в Athena.
Основной массив модельных событий создан с помощью генераторов PYTHIA [3], включая его версию
PYTHIAВ [4,5],
предназначенную в ATLAS для моделирования событий с рождением В-адронов, HERWIG [6-8], Sherpa [9], Hijing [10], Alpgen [11], MC@NLO [12], AcerMC [13]. Генераторы Tauola [14] и Photos [15] используются для
моделирования распадов тау-лептонов и испускания фотонов. Генератор EVTGEN [16] применяется для
моделирования распадов В-адронов, свойства которых чувствительны к физике
процесса. Генератор ISAJET[17] в комбинации с HERWIG используется для моделирования рождения частиц в моделях суперсимметрии.
Применяются также обновленные версии генераторов, использующие
объектно-ориентированный язык С++, такие как PYTHIA8 [18] и HERWIG++ [19]. Генератор MadGraph [20] используется для
моделирования рассеяния векторных бозонов, генератор CHARYBDIS [21] для моделирования
рождения черных дыр, CompHep [22,23] для моделирования экзотических
физических процессов. Частицы созданного генератором события имеют координаты
вершины – точки взаимодействия протонов, которые приводятся в соответствие с
характеристиками пучков до введения события в GEANT4. Аналогично
моделируются и взаимодействия протонов и ядер с ядрами. Частицы с собственным
временем жизни cτ > 10мм считаются в генераторе стабильными, они могут
распространяться в детекторе и взаимодействовать с его веществом до момента
распада. Распад частиц с cτ< 10мм проводится генератором и их
взаимодействие с детектором не учитывается.
Генераторы общего назначения создают событие как
целое. Они используют много параметров, часть из которых относится к
фундаментальным параметрам, такие как константы связи квантовой хромодинамики
(КХД) и электрослабой теории, часть относится к моделям, описывающим
взаимодействия на больших расстояниях, с малыми передачами импульса, т.н.
«мягкой» КХД, и к электрослабым процессам.
Генераторы PYTHIA и HERWIG, написанные на языке FORTRAN, в течение многих лет
тестировались при описании взаимодействий на е+е- и
адронных коллайдерах. Моделирование события в них начинается с процесса жесткого
рассеяния в низшем порядке КХД. К ним добавляются процессы излучения КХД и
квантовой электродинамики (КЭД) в ливневом приближении, которое хорошо работает
для излучения под малым углом. Хуже всего описываются излучения многих объектов
в широком интервале углов со сравнимыми энергиями. В PYTHIA имеется модель для
описания жестких и мягких взаимодействий, соответствующих сопутствующим
событиям. Этот генератор используется для моделирования событий с минимальным
отбором (minimum bias), наиболее близким к
набору неупругих взаимодействий. В эксперименте ATLAS используется версия
генератора
PYTHIA 6.4. Из двух вариантов
модели ливней, существующих в PYTHIA, в ATLASиспользуется версия ливней, реализованная в
генераторе
PYTHIA 6.3, которая, как
ожидается, лучше соответствует теоретическому представлению ливней в КХД. На
завершающем этапе развития ливня используется модель адронизации, объединяющая
кварки и глюоны в адроны. Генератор PYTHIAсодержит множество параметров и моделей и
позволяет подключать новые модели процессов для описания выделенных групп
событий. Версия PYTHIAВ
позволяет эффективно получать события с рождением В-адронов. В большинстве
случаев рождение b-кварков
с большими рТ происходит в ливнях кварков и глюонов от жесткого
рассеяния и случается это очень редко. Генератор PYTHIAВ повторно использует
модели ливней, содержащих bи с кварки. Рождение конкретного В-адрона и его
распад могут моделироваться дополнительно с использованием PYTHIA или генератора EVTGEN.
Эксперимент ATLAS использует версию HERWIG 6.5 [6-8] в сочетании с
генератором
Jimmi [24] для включения
сопутствующих событий. Это очень гибкий генератор, настроенный на описание
данных Теватрона.
Генератор Sherpa написан на С++,
использует интерфейс к модели адронизации PYTHIA и в результате создает
полное событие. В генераторе имеются матричные элементы фиксированного порядка
КХД в дополнение к партонным ливням в PYTHIAи поэтому в нем должны лучше описываться
конечные состояния с большим количеством струй.
Генератор Hijing используется для
моделирования соударений ядер при любых прицельных параметров. Рожденные внутри
плотного ядерного вещества частицы при прохождении через нее могут несколько раз
повторно взаимодействовать в ядерной среде. Это единственный генератор для
моделирования протон-ядерных соударений, к которым относятся и соударения
протонов пучка с остаточным газом в среде. Генератор Hijingиспользует модель адронизации PYTHIA.
Специализированные
генераторы не моделируют полное событие. Физический процесс моделируется в виде
ASCII файлов, содержащих
четырехимпульсы частиц-партонов в формате “Les Houches”. Этот формат читается в
Athena и подготавливается для
входа в
PYTHIA или HERWIG для создания полного
события.
В стандартных генераторах
рожденные тау-лептоны рассматриваются как стабильные частицы. Для их
распада используется генератор Tauola, написанный на FORTRAN. Специальное внимание
уделяется поляризации тау-лептонов. Она различается в разных реакциях. Например,
она известна для распадов W, а в распадах Z → ττ поляризации
коррелированны. Для генерации электромагнитного излучения в Tauola применяется генератор Photos, т.е. они должны
использоваться совместно. При использовании Photos для лучшего описания
электромагнитного излучения в моделировании с PYTHIA или HERWIG необходимо отключать их
собственные программы генерации электромагнитного излучения для исключения
двойного счета.
Генератор Alpgen относится к генераторам
типа “Les Houches” и применяется для моделирования состояний с большим
количеством объектов с использованием матричных элементов КХД фиксированного
порядка, которые лучше описывают эти состояния, чем ливневый механизм в PYTHIA и HERWIG. К таким состояниям
относятся, например, события с рождением W и Z и большого числа струй.
Генератор MC@NLO также относится к
генераторам “Les Houches” и используется для моделирования процессов жесткого
рассеяния КХД в следующем за лидирующим порядке пертурбативной КХД. В частности,
MC@NLO применяется для
моделирования рождения топ-кварков. Он включает петлевые поправки и содержит
вклады событий с положительным и отрицательным весом, что должно учитываться при
моделировании. Генератор применяется также для моделирования событий с рождением
W и Z.
Генератор AcerMC применяется для
моделирования событий с рождением W и Z и нескольких струй, включая струи, образованные
b кварками.
Все эти и другие
генераторы используются для создания событий, отвечающих разным физическим
процессам. Далее эти события проходят стадию моделирования сигналов детекторов
от прохождения частиц через них и оцифровку этих сигналов. Полностью процедура
моделирования эксперимента ATLAS описана в [25]. Далее к ним применяются те же
программы реконструкции, что и для реальных событий. Анализ
экспериментальных данных происходит путем сравнения результатов эксперимента и
моделирования.
Литература к разделу 3
S.Agostinelli
et al. NIM Phys. Res. A506
(2003) 250.
J.Allison et
al. IEEE Transactions on Nuclear Science 53 (2006) 270.
T. Sjöstrand,
S. Mrenna and P. Skands, PYTHIA6.4 physics and manual, JHEP 05 (2006) 026.
M. Smizanska,
S.P. Baranov, J. Hrivnac and E. Kneringer, Overview of Monte Carlo simulations
for ATLAS B-physics in the period 1996-1999, ATL-PHYS-2000-025 (2000).
C.
Anastopoulos et al., Physics analysis tools for beauty physics in ATLAS, in
Proceedings of Computing in High Energy and Nuclear Physics 2007 Conference
(CHEP2007), Victoria, BC, Canada, September 2-7, 2007, ed. R. Sobie, R. Tafirout
and J. Thomson, (J.Phys.: Conf. Ser. 119, 2007), p. 032003.
G. Marchesini,
B.R. Webber, G. Abbiendi, I.G. Knowles, M.H. Seymour and L. Stanco, HERWIG: A
Monte Carlo event generator for simulating hadron emission reactions with
interfering gluons. Version 5.1 - April 1991, Comput. Phys. Commun. 67 (1992)
465.
G. Corcella et
al., HERWIG 6: An event generator for hadron emission reactions with interfering
gluons (including supersymmetric processes), JHEP 01 (2001) 010,
[hep-ph/0011363].
G. Corcella
et al., HERWIG 6.5 Release Note, CERNTH/2002-270 (2005), [hep-ph/0210213v2].
T. Gleisberg
et al., SHERPA 1.alpha, a proof-of-concept version, JHEP 02 (2004) 056,
[hep-ph/0311263].
M. Gyulassy
and X.N. Wang, HIJING 1.0: A Monte Carlo program for parton and particle
production in high energy hadronic and nuclear collisions, Comput. Phys. Commun.
83 (1994) 307, [nucl-th/9502021].
M.L. Mangano
et al., ALPGEN, a generator for hard multiparton processes in hadronic
collisions, JHEP 07 (2003) 001, [hep-ph/0206293].
S. Frixione,
P. Nason and B.R. Webber, Matching NLO QCD and parton showers in heavy flavour
production, JHEP 08 (2003) 007, [hep-ph/0305252].
B.P. Kersevan
and E. Richter-Was, The Monte Carlo event generator AcerMC version 2.0 with
interfaces to PYTHIA 6.2 and HERWIG 6.5, 2004, [hep-ph/0405247].
S. Jadach,
J.H. Kuhn and Z. Was, TAUOLA: A Library of Monte Carlo programs to simulate
decays of polarized tau leptons, Comput. Phys. Commun. 64 (1990) 275–299.
E. Barberio,
B. van Eijk and Z.Was, PHOTOS: A Universal Monte Carlo for QED radiative
corrections in decays,Comput. Phys. Commun. 66 (1991) 115–128.
F.E. Paige,
S.D. Protopopescu, H. Baer and X. Tata, ISAJET 7.69: A Monte Carlo event
generator for p p, anti-p p, and e+ e- reactions, (2003), [hep-ph/0312045].
T. Sjöstrand,
S. Mrenna and P. Skands, A Brief Introduction to PYTHIA 8.1, Comput. Phys.
Commun. 178 (2008) 852–867, [hep-ph/0710.3820].
M. Bahr et
al., Herwig++ Physics and Manual, Eur. Phys. J. C58 (2008) 639–707,
[hep-ph/0803.0883].
T. Stelzer and
W.F. Long, Automatic generation of tree level helicity amplitudes, Comput. Phys.
Commun. 81(1994) 357–371, [hep-ph/9401258].
C.M. Harris,
P. Richardson and B.R. Webber, CHARYBDIS: A black hole event generator, JHEP 08
(2003) 033, [hep-ph/0307305].
CompHep
Collaboration, E. Boos et al., CompHEP 4.4: Automatic computations from
Lagrangians to events, Nucl. Instrum. Meth. A 534 (2004) 250, [hep-ph/0403113].
A. Pukhov et
al., CompHEP - a package for evaluation of Feynman diagrams and integration over
multi-particle phase space. User’s manual for version 3.3, INP MSU report
98-41/542 (1999), [hep-ph/9908288], See also
http://comphep.sinp.msu.ru.
