04/05/2004 D. Giordano EvtGen SIMUB QQ Nature PYTHIA –JETSET … EvtGen - SIMUB 2 Generatori per la fisica del B

04/05/2004 D. Giordano

EvtGen SIMUB QQ Nature PYTHIA –JETSET …

EvtGen - SIMUB2 Generatori per la fisica del B


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




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


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


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


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.


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.


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*


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


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


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


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


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


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


EvtGen: Esempi


EvtGen: confronto con i dati

Spettro inclusivo dell’energia del leptone nel decadimento B->

X


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


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


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)


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


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




Struttura del programma

Formato compatibile con i tool di simulazione del rivelatore CMS

String fragmentation B meson prod.


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


bbbar Kin. Distributions

LHC: s = 14 TeV


DatacardsTutti gli step della generazione sono gestibili dall’utente tramite datacards

PYTHIA decay of all particles except some selected particles decaying according to SIMUB


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)


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


Spin-angular correlation

B0s(t) → J/(μ+μ-) K+K-).

(3.33 10-12 sec)


Decadimenti semileptonici



Status of Bc production

Nel luglio del 2003 gli autori di SIMUB scrivevano …


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


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


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,

Documents

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