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

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1 04/05/2004 D. Giordano EvtGen SIMUB QQ Nature PYTHIA –JETSET … EvtGen - SIMUB 2 Generatori per la fisica del B

2 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 unampia varietà di piattaforme (DEC OSF, Sun SunOS, Intel Linux,..) Distribuzione pubblica del codice sorgente (EvtGen.tar) è reperibile allindirizzo Richiede gcc-3.2.1, CERNLIB 2000, CLHEP , ROOT

3 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 Luso delle ampiezze complesse consente di adottare nel codice una struttura modulare: maggiore efficienza di selezione degli eventi facile estensione a nuovi modelli di decadimento

4 04/05/2004 D. Giordano Decadimenti Sequenziali Molti decadimenti dei mesoni B hanno una struttura sequenziale Per simulare correttamente queste catena di decadimento occorre implementare solo i seguenti nodi nel decay tree. In genere lampiezza di decadimento di ciascun nodo è indipendente da come la particella madre è stata generata e da come le particelle figlie decadono

5 04/05/2004 D. Giordano EvtGen: lAlgoritmo (I) Implementazione generalmente usata in un generatore: si genera la cinematica dellintero processo in base allo spazio delle fasi si calcola la probabilità (P) si seleziona o rigetta levento 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

6 04/05/2004 D. Giordano Monte Carlo Techniques Monte 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 function If 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.

7 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.

8 04/05/2004 D. Giordano EvtGen: lAlgoritmo (II) In EvtGen la catena di decadimento è suddivisa in decadimenti elementari 1. Decadimento del B Si genera la cinematica del processo e si calcola P B, finchè levento non passa accept-reject algo 2. Matrice densità Descrive la J/ dopo aver sommato su tutti i possibili gradi di libertà del K 0 *

9 04/05/2004 D. Giordano EvtGen: lAlgoritmo (III) 3. Decadimento della J SF: fattore di scala = 5. Decadimento della K 0 * 4. Matrice densità

10 04/05/2004 D. Giordano EvtGen: Vantaggi nellAlgoritmo Luso 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 linterferenza tra particelle appartenenti a differenti rami del decay tree

11 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

12 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 luso di PHOTOS Ci sono attualmente circa 80 modelli di decadimento implementati in EvtGen

13 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 STDHEP Tutte le proprietà delle particelle sono contenute nel file evt.pdl TypenameidMassWidth M-Mmin 3*Q 2*S KC (JetSet) c

14 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 lalias 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 dellevento. BR Modello parametri Decadimento semileptonico di B, D, D s

15 04/05/2004 D. Giordano EvtGen: Esempi

16 04/05/2004 D. Giordano EvtGen: confronto con i dati Spettro inclusivo dellenergia del leptone nel decadimento B-> X

17 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 PythiaEvtGen.txt, PythiaBEvtGen.txt, PythiaEvtGen_signal.txt include i cambiamenti fatti da CDF e LHCb (incoherent B mixing, beauty baryons, B 0 s mesons) CDF : EvtGenModule, EvtGenInterface

18 04/05/2004 D. Giordano CDF CP Violation and Flavour 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 B d -> J/ K 0 s correctly handles CP violation Decays of Bc Bc decays for CDF version of EvtGen is implemented beginning with version V 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 ( GeV/c) and lifetime ( ps) come from CDF mesurements. Phase space is used for most Bc semileptonic decays

19 04/05/2004 D. Giordano ATLAS ATLAS usa Pythia o PythiaB per simulare pp->b b bar -> X far decadere i B via interazione forte o elettromagnetica, e poi passa levento a EvtGen per il decadimento debole dei restanti B. E possibile generare campioni di eventi b b bar inclusivi o relativi ad una particolare decay chain ( PythiaEvtGen_signal.txt )

20 04/05/2004 D. Giordano Validazione in ATLAS B0dB0d K 0* J/ + - K+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

21 04/05/2004 D. Giordano SIMUB Sviluppato per CMS da A.Belkov 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 B 0 s (t),B 0 s (t) J/ (μ + μ - ) K + K - ) (August 2001) Testato su piattaforme Linux (RH 6.x, 7.x) Documentazione e package

22 04/05/2004 D. Giordano Struttura del programma Formato compatibile con i tool di simulazione del rivelatore CMS String fragmentation B meson prod.

23 04/05/2004 D. Giordano Meccanismi di produzione b b bar 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

24 04/05/2004 D. Giordano bb bar Kin. Distributions LHC: s = 14 TeV

25 04/05/2004 D. Giordano Datacards Tutti gli step della generazione sono gestibili dallutente tramite datacards PYTHIA decay of all particles except some selected particles decaying according to SIMUB

26 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)

27 04/05/2004 D. Giordano Dynamical mode Decadimento sequenziale a due corpi B 0 (t), B 0 bar (t) -> b(b 1 b 2 ) a(a 1 a 2 ) a,b mesoni vettori Le distribuzioni angolari a1 b1 sono governate da correlazioni spin-angolari MC Method: sequential random generation of t, a1 b1 f 0 = t a1 b1

28 04/05/2004 D. Giordano Spin-angular correlation B 0 s (t) J/ (μ + μ - ) K + K - ). ( sec)

29 04/05/2004 D. Giordano Decadimenti semileptonici

30 04/05/2004 D. Giordano

31 04/05/2004 D. Giordano Status of B c production Nel luglio del 2003 gli autori di SIMUB scrivevano …

32 04/05/2004 D. Giordano Conclusioni La maggior parte delle collaborazioni ha scelto EvtGen per la sua modularità e ladattabilità 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

33 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

34 04/05/2004 D. Giordano Particle Decay Partial 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,


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