EvtGen - SIMUB 2 Generatori per la fisica del B

1. EvtGen - SIMUB2 Generatori per la fisica del B EvtGen SIMUB QQ Nature PYTHIA –JETSET … D. Giordano

2. 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 D. Giordano

3. 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 D. Giordano

4. 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 generel’ampiezza di decadimento di ciascun nodo è indipendente da come la particella madre è stata generata e da come le particelle figlie decadono D. Giordano

5. EvtGen: l’Algoritmo (I) • 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-rejectsulla base di P • Questo metodo ha 2 limitazioni: • occorre conoscere la massima probabilità P • accept-reject algo può essere inefficiente per lunghe decay chain D. Giordano

6. Monte Carlo Techniques Monte Carlo techniques are often the only practical wayto 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. D. Giordano

7. 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): • generate a candidate x according to h(x); • calculate f(x) and the height of the envelope C h(x); • generate u and test if uC h(x) ≤ f(x). • If so, accept x; if not reject xand try again. • The efficiency is the ratio of areas, which must equal 1/C => keep C  1. D. Giordano

8. EvtGen: l’Algoritmo (II) In EvtGen la catena di decadimento è suddivisa in decadimenti elementari • Decadimento del B Si genera la cinematica del processo e si calcola PB , finchè l’evento non passa accept-reject algo • Matrice densità Descrive la J/Y dopo aver sommato su tutti i possibili gradi di libertà del K0* D. Giordano

9. EvtGen: l’Algoritmo (III) • Decadimento della J/Y SF: fattore di scala = • Matrice densità • Decadimento della K0* D. Giordano

10. 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 D. Giordano

11. 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 D. Giordano

12. Modelli Disponibili Ci sono attualmente circa 80 modelli di decadimento implementati in EvtGen • Modelli generali • modelli specifici per violazione di CP • Modelli per decadimenti semileptonici (fattori di forma) • Dalitz • Specifici: D,h,p,w • Generali: Pseudoscalare -> 3 Pseudoscalari • FSR con l’uso di PHOTOS D. Giordano

13. 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 3*Q KC (JetSet) Type name id Mass Width M-Mmin 2*S ct D. Giordano

14. 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. Modello BR Decadimento semileptonico di B, D, Ds parametri D. Giordano

15. EvtGen: Esempi D. Giordano

16. EvtGen: confronto con i dati Spettro inclusivo dell’energia del leptone nel decadimento B-> Xmn D. Giordano

17. 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 CDF: EvtGenModule, EvtGenInterface 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) D. Giordano

18. EvtGen @ CDF CP 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/Y K0s correctly handles CP violation Decays of Bc Bc 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 D. Giordano

19. 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) D. Giordano

20. Validazione in ATLAS + Confronto tra il modello SVV_HELAMP di EvtGen ed un generatore dedicato che usa pdf calcolate direttamente usando il formalismo di Elicità K0* K+ J/ - B0d  J/ K* • No mixing • No CP-violation D. Giordano

21. 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),B0s(t) → J/Y(μ+μ-) F(K+K-) (August 2001) • Testato su piattaforme Linux (RH 6.x, 7.x) • Documentazione e package • http://cmsdoc.cern.ch/~shulga/SIMUB/SIMUB.html D. Giordano

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

23. Meccanismi di produzione b bbar At LHC energies NLO graph of FE, GS dominate • 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 D. Giordano

24. bbbar Kin. Distributions LHC: s = 14 TeV D. Giordano

25. Datacards Tutti gli step della generazione sono gestibili dall’utente tramite datacards PYTHIA decay of all particles except some selected particles decaying according to SIMUB D. Giordano

26. 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) D. Giordano

27. Dynamical mode Decadimento sequenziale a due corpi B0(t), B0bar (t) -> b(b1b2) a(a1a2) a,b mesoni vettori Le distribuzioni angolari (Qa1 , Qb1 , c) sono governate da correlazioni spin-angolari MC Method: sequential random generation of t, c,Qa1 , Qb1 f0 = Qb1 Qa1 c t D. Giordano

28. Spin-angular correlation B0s(t) → J/Y(μ+μ-) F(K+K-). (3.33 10-12 sec) D. Giordano

29. Decadimenti semileptonici D. Giordano

30. D. Giordano

31. Status of Bc production Nel luglio del 2003gli autori di SIMUB scrivevano … D. Giordano

32. 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 D. Giordano

33. 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 D. Giordano

34. 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, D. Giordano