~ubuntu-branches/ubuntu/trusty/pythia8/trusty-proposed

« back to all changes in this revision

Viewing changes to xmldoc/ASecondHardProcess.xml

  • Committer: Package Import Robot
  • Author(s): Lifeng Sun
  • Date: 2012-05-22 11:43:00 UTC
  • Revision ID: package-import@ubuntu.com-20120522114300-0jvsv2vl4o2bo435
Tags: upstream-8.1.65
ImportĀ upstreamĀ versionĀ 8.1.65

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
 
1
<chapter name="A Second Hard Process">
 
2
 
 
3
<h2>A Second Hard Process</h2>
 
4
 
 
5
When you have selected a set of hard processes for hadron beams, the 
 
6
<aloc href="MultipartonInteractions">multiparton interactions</aloc> 
 
7
framework can add further interactions to build up a realistic
 
8
underlying event. These further interactions can come from a wide
 
9
variety of processes, and will occasionally be quite hard. They
 
10
do represent a realistic random mix, however, which means one cannot
 
11
predetermine what will happen. Occasionally there may be cases
 
12
where one wants to specify also the second hard interaction rather
 
13
precisely. The options on this page allow you to do precisely that. 
 
14
 
 
15
<flag name="SecondHard:generate" default="off">
 
16
Generate two hard scatterings in a collision between hadron beams.
 
17
The hardest process can be any combination of internal processes,
 
18
available in the normal <aloc href="ProcessSelection">process 
 
19
selection</aloc> machinery, or external input. Here you must further 
 
20
specify which set of processes to allow for the second hard one, see 
 
21
the following.
 
22
</flag>
 
23
 
 
24
<h3>Process Selection</h3>
 
25
 
 
26
In principle the whole <aloc href="ProcessSelection">process 
 
27
selection</aloc> allowed for the first process could be repeated 
 
28
for the second one. However, this would probably be overkill. 
 
29
Therefore here a more limited set of prepackaged process collections 
 
30
are made available, that can then be further combined at will. 
 
31
Since the description is almost completely symmetric between the 
 
32
first and the second process, you always have the possibility 
 
33
to pick one of the two processes according to the complete list
 
34
of possibilities.
 
35
 
 
36
<p/>
 
37
Here comes the list of allowed sets of processes, to combine at will:
 
38
 
 
39
<flag name="SecondHard:TwoJets" default="off">
 
40
Standard QCD <ei>2 -> 2</ei> processes involving gluons and 
 
41
<ei>d, u, s, c, b</ei> quarks. 
 
42
</flag>
 
43
 
 
44
<flag name="SecondHard:PhotonAndJet" default="off">
 
45
A prompt photon recoiling against a quark or gluon jet.
 
46
 
 
47
<flag name="SecondHard:TwoPhotons" default="off">
 
48
Two prompt photons recoiling against each other.
 
49
 
 
50
<flag name="SecondHard:Charmonium" default="off">
 
51
Production of charmonium via colour singlet and colour octet channels.
 
52
 
 
53
<flag name="SecondHard:Bottomonium" default="off">
 
54
Production of bottomonium via colour singlet and colour octet channels.
 
55
 
 
56
<flag name="SecondHard:SingleGmZ" default="off">
 
57
Scattering <ei>q qbar -> gamma^*/Z^0</ei>, with full interference
 
58
between the <ei>gamma^*</ei> and <ei>Z^0</ei>.
 
59
</flag>
 
60
 
 
61
<flag name="SecondHard:SingleW" default="off">
 
62
Scattering <ei>q qbar' -> W^+-</ei>.
 
63
</flag>
 
64
 
 
65
<flag name="SecondHard:GmZAndJet" default="off">
 
66
Scattering <ei>q qbar -> gamma^*/Z^0 g</ei> and
 
67
<ei>q g -> gamma^*/Z^0 q</ei>.
 
68
</flag>
 
69
 
 
70
<flag name="SecondHard:WAndJet" default="off">
 
71
Scattering <ei>q qbar' -> W^+- g</ei> and
 
72
<ei>q g -> W^+- q'</ei>.
 
73
</flag>
 
74
 
 
75
<flag name="SecondHard:TopPair" default="off">
 
76
Production of a top pair, either via QCD processes or via an
 
77
intermediate <ei>gamma^*/Z^0</ei> resonance.
 
78
</flag>
 
79
 
 
80
<flag name="SecondHard:SingleTop" default="off">
 
81
Production of a single top, either via a <ei>t-</ei> or 
 
82
an <ei>s-</ei>channel <ei>W^+-</ei> resonance.
 
83
</flag>
 
84
 
 
85
<p/>
 
86
A further process collection comes with a warning flag:
 
87
 
 
88
<flag name="SecondHard:TwoBJets" default="off">
 
89
The <ei>q qbar -> b bbar</ei> and <ei>g g -> b bbar</ei> processes.
 
90
These are already included in the <code>TwoJets</code> sample above,
 
91
so it would be doublecounting to include both, but we assume there
 
92
may be cases where the <ei>b</ei> subsample will be of special interest.
 
93
This subsample does not include flavour-excitation or gluon-splitting 
 
94
contributions to the <ei>b</ei> rate, however, so, depending
 
95
on the topology if interest, it may or may not be a good approximation.   
 
96
</flag>
 
97
 
 
98
<h3>Cuts and scales</h3>
 
99
 
 
100
The second hard process obeys exactly the same selection rules for
 
101
<aloc href="PhaseSpaceCuts">phase space cuts</aloc> and
 
102
<aloc href="CouplingsAndScales">couplings and scales</aloc> 
 
103
as the first one does. Specifically, a <ei>pTmin</ei> cut for 
 
104
<ei>2 -> 2</ei> processes would apply to the first and the second hard 
 
105
process alike, and ballpark half of the time the second could be 
 
106
generated with a larger <ei>pT</ei> than the first. (Exact numbers 
 
107
depending on the relative shape of the two cross sections.) That is, 
 
108
first and second is only used as an administrative distinction between 
 
109
the two, not as a physics ordering one.
 
110
 
 
111
<p/>
 
112
Optionally it is possible to pick the mass and <ei>pT</ei> 
 
113
<aloc href="PhaseSpaceCuts">phase space cuts</aloc> separately for 
 
114
the second hard interaction. The main application presumably would
 
115
be to allow a second process that is softer than the first, but still 
 
116
hard. But one is also free to make the second process harder than the 
 
117
first, if desired. So long as the two <ei>pT</ei> (or mass) ranges 
 
118
overlap the ordering will not be the same in all events, however.
 
119
 
 
120
<h3>Cross-section calculation</h3>
 
121
 
 
122
As an introduction, a brief reminder of Poissonian statistics.
 
123
Assume a stochastic process in time, for now not necessarily a
 
124
high-energy physics one, where the probability for an event to occur 
 
125
at any given time is independent of what happens at other times. 
 
126
Then the probability for <ei>n</ei> events to occur in a finite 
 
127
time interval is 
 
128
<eq>
 
129
P_n = &lt;n&gt;^n exp(-&lt;n&gt;) / n!
 
130
</eq>
 
131
where <ei>&lt;n&gt;</ei> is the average number of events. If this 
 
132
number is small we can approximate <ei>exp(-&lt;n&gt;) = 1 </ei>,
 
133
so that <ei>P_1 = &lt;n&gt;</ei> and 
 
134
<ei>P_2 = &lt;n&gt;^2 / 2 = P_1^2 / 2</ei>.
 
135
 
 
136
<p/>
 
137
Now further assume that the events actually are of two different 
 
138
kinds <ei>a</ei> and <ei>b</ei>, occuring independently of each 
 
139
other, such that <ei>&lt;n&gt; = &lt;n_a&gt; + &lt;n_b&gt;</ei>. 
 
140
It then follows that the probability of having one event of type 
 
141
<ei>a</ei> (or <ei>b</ei>) and nothing else is 
 
142
<ei>P_1a = &lt;n_a&gt;</ei> (or <ei>P_1b = &lt;n_b&gt;</ei>). 
 
143
From 
 
144
<eq>
 
145
P_2 = (&lt;n_a&gt; + &lt;n_b&gt)^2 / 2 = (P_1a + P_1b)^2 / 2 =
 
146
(P_1a^2 + 2 P_1a P_1b + P_1b^2) / 2
 
147
</eq>
 
148
it is easy to read off that the probability to have exactly two 
 
149
events of kind <ei>a</ei> and none of <ei>b</ei> is
 
150
<ei>P_2aa = P_1a^2 / 2</ei> whereas that of having one <ei>a</ei> 
 
151
and one <ei>b</ei> is <ei>P_2ab = P_1a P_1b</ei>. Note that the
 
152
former, with two identical events, contains a factor <ei>1/2</ei>
 
153
while the latter, with two different ones, does not. If viewed
 
154
in a time-ordered sense, the difference is that the latter can be
 
155
obtained two ways, either first an <ei>a</ei> and then a <ei>b</ei>
 
156
or else first a <ei>b</ei> and then an <ei>a</ei>.
 
157
 
 
158
<p/>
 
159
To translate this language into cross-sections for high-energy 
 
160
events, we assume that interactions can occur at different <ei>pT</ei>
 
161
values independently of each other inside inelastic nondiffractive
 
162
(= "minbias") events. Then the above probabilities translate into
 
163
<ei>P_n = sigma_n / sigma_ND</ei> where <ei>sigma_ND</ei> is the
 
164
total nondiffractive cross section. Again we want to assume that
 
165
<ei>exp(-&lt;n&gt;)</ei> is close to unity, i.e. that the total 
 
166
hard cross section above <ei>pTmin</ei> is much smaller than 
 
167
<ei>sigma_ND</ei>. The hard cross section is dominated by QCD
 
168
jet production, and a reasonable precaution is to require a
 
169
<ei>pTmin</ei> of at least 20 GeV at LHC energies. 
 
170
(For <ei>2 -> 1</ei> processes such as 
 
171
<ei>q qbar -> gamma^*/Z^0 (-> f fbar)</ei> one can instead make a 
 
172
similar cut on mass.) Then the generic equation 
 
173
<ei>P_2 = P_1^2 / 2</ei> translates into
 
174
<ei>sigma_2/sigma_ND = (sigma_1 / sigma_ND)^2 / 2</ei> or
 
175
<ei>sigma_2 = sigma_1^2 / (2 sigma_ND)</ei>.
 
176
 
 
177
<p/>
 
178
Again different processes <ei>a, b, c, ...</ei> contribute,
 
179
and by the same reasoning we obtain
 
180
<ei>sigma_2aa = sigma_1a^2 / (2 sigma_ND)</ei>,
 
181
<ei>sigma_2ab = sigma_1a sigma_1b / sigma_ND</ei>,
 
182
and so on. 
 
183
 
 
184
<p/>
 
185
There is one important correction to this picture: all collisions
 
186
do no occur under equal conditions. Some are more central in impact 
 
187
parameter, others more peripheral. This leads to a further element of 
 
188
variability: central collisions are likely to have more activity
 
189
than the average, peripheral less. Integrated over impact
 
190
parameter standard cross sections are recovered, but correlations
 
191
are affected by a "trigger bias" effect: if you select for events 
 
192
with a hard process you favour events at small impact parameter
 
193
which have above-average activity, and therefore also increased
 
194
chance for further interactions. (In PYTHIA this is the origin 
 
195
of the "pedestal effect", i.e. that events with a hard interaction
 
196
have more underlying activity than the level found in minimum-bias 
 
197
events.) When you specify a matter overlap profile in the
 
198
multiparton-interactions scenario, such an enhancement/depletion factor 
 
199
<ei>f_impact</ei> is chosen event-by-event and can be averaged
 
200
during the course of the run. As an example, the double Gaussian
 
201
form used in Tune A gives approximately
 
202
<ei>&lt;f_impact&gt; = 2.5</ei>. The above equations therefore
 
203
have to be modified to
 
204
<ei>sigma_2aa = &lt;f_impact&gt; sigma_1a^2 / (2 sigma_ND)</ei>,
 
205
<ei>sigma_2ab = &lt;f_impact&gt; sigma_1a sigma_1b / sigma_ND</ei>.
 
206
Experimentalists often instead use the notation
 
207
<ei>sigma_2ab = sigma_1a sigma_1b / sigma_eff</ei>,
 
208
from which we see that PYTHIA "predicts"
 
209
<ei>sigma_eff = sigma_ND / &lt;f_impact&gt;</ei>.
 
210
When the generation of multiparton interactions is switched off it is 
 
211
not possible to calculate <ei>&lt;f_impact&gt;</ei> and therefore
 
212
it is set to unity.
 
213
 
 
214
<p/>
 
215
When this recipe is to be applied to calculate
 
216
actual cross sections, it is useful to distinguish three cases,
 
217
depending on which set of processes are selected to study for
 
218
the first and second interaction.
 
219
 
 
220
<p/>
 
221
(1) The processes <ei>a</ei> for the first interaction and 
 
222
<ei>b</ei> for the second one have no overlap at all.
 
223
For instance, the first could be <code>TwoJets</code> and the
 
224
second <code>TwoPhotons</code>. In that case, the two interactions
 
225
can be selected independently, and cross sections tabulated
 
226
for each separate subprocess in the two above classes. At the
 
227
end of the run, the cross sections in <ei>a</ei> should be multiplied
 
228
by <ei>&lt;f_impact&gt; sigma_1b / sigma_ND</ei> to bring them to
 
229
the correct overall level, and those in <ei>b</ei> by
 
230
<ei>&lt;f_impact&gt; sigma_1a / sigma_ND</ei>.
 
231
 
 
232
<p/>
 
233
(2) Exactly the same processes <ei>a</ei> are selected for the 
 
234
first and second interaction. In that case it works as above,
 
235
with <ei>a = b</ei>, and it is only necessary to multiply by an
 
236
additional factor <ei>1/2</ei>. A compensating factor of 2
 
237
is automatically obtained for picking two different subprocesses,
 
238
e.g. if <code>TwoJets</code> is selected for both interactions,
 
239
then the combination of the two subprocesses <ei>q qbar -> g g</ei> 
 
240
and <ei>g g -> g g</ei> can trivially be obtained two ways.
 
241
 
 
242
<p/>
 
243
(3) The list of subprocesses partly but not completely overlap.
 
244
For instance, the first process is allowed to contain <ei>a</ei>
 
245
or <ei>c</ei> and the second <ei>b</ei> or <ei>c</ei>, where
 
246
there is no overlap between <ei>a</ei> and <ei>b</ei>. Then,
 
247
when an independent selection for the first and second interaction
 
248
both pick one of the subprocesses in <ei>c</ei>, half of those
 
249
events have to be thrown, and the stored cross section reduced
 
250
accordingly. Considering the four possible combinations of first
 
251
and second process, this gives a 
 
252
<eq>
 
253
sigma'_1 = sigma_1a + sigma_1c * (sigma_2b + sigma_2c/2) /
 
254
(sigma_2b + sigma_2c)
 
255
</eq>
 
256
with the factor <ei>1/2</ei> for the <ei>sigma_1c sigma_2c</ei> term.
 
257
At the end of the day, this <ei>sigma'_1</ei> should be multiplied 
 
258
by the normalization factor
 
259
<eq>
 
260
f_1norm = &lt;f_impact&gt; (sigma_2b + sigma_2c) / sigma_ND
 
261
</eq>
 
262
here without a factor <ei>1/2</ei> (or else it would have been
 
263
doublecounted). This gives the correct
 
264
<eq>
 
265
(sigma_2b + sigma_2c) * sigma'_1 = sigma_1a * sigma_2b 
 
266
+ sigma_1a * sigma_2c + sigma_1c * sigma_2b + sigma_1c * sigma_2c/2
 
267
</eq>
 
268
The second interaction can be handled in exact analogy.
 
269
 
 
270
<p/>
 
271
For the considerations above it is assumed that the phase space cuts 
 
272
are the same for the two processes. It is possible to set the mass and 
 
273
transverse momentum cuts differently, however. This changes nothing 
 
274
for processes that already are different. For two collisions of the 
 
275
same type it is partly a matter of interpretation what is intended.
 
276
If we consider the case of the same process in two non-overlapping 
 
277
phase space regions, most likely we want to consider them as
 
278
separate processes, in the sense that we expect a factor 2 relative 
 
279
to Poissonian statistics from either of the two hardest processes
 
280
populating either of the two phase space regions. In total we are
 
281
therefore lead to adopt the same strategy as in case (3) above:
 
282
only in the overlapping part of the two allowed phase space regions
 
283
could two processes be identical and thus appear with a 1/2 factor,
 
284
elsewhere the two processes are never identical and do not 
 
285
include the 1/2 factor. We reiterate, however, that the case of 
 
286
partly but not completely overlapping phase space regions for one and
 
287
the same process is tricky, and not to be used without prior
 
288
deliberation.  
 
289
 
 
290
<p/>
 
291
The listing obtained with the <code>pythia.statistics()</code>
 
292
already contain these corrections factors, i.e. cross sections
 
293
are for the occurence of two interactions of the specified kinds. 
 
294
There is not a full tabulation of the matrix of all the possible    
 
295
combinations of a specific first process together with a specific
 
296
second one (but the information is there for the user to do that,
 
297
if desired). Instead <code>pythia.statistics()</code> shows this 
 
298
matrix projected onto the set of processes and associated cross 
 
299
sections for the first and the second interaction, respectively. 
 
300
Up to statistical fluctuations, these two sections of the 
 
301
<code>pythia.statistics()</code> listing both add up to the same 
 
302
total cross section for the event sample.
 
303
 
 
304
<p/>
 
305
There is a further special feature to be noted for this listing,
 
306
and that is the difference between the number of "selected" events
 
307
and the number of "accepted" ones. Here is how that comes about.
 
308
Originally the first and second process are selected completely
 
309
independently. The generation (in)efficiency is reflected in the 
 
310
different number of intially tried events for the first and second
 
311
process, leading to the same number of selected events. While
 
312
acceptable on their own, the combination of the two processes may
 
313
be unacceptable, however. It may be that the two processes added 
 
314
together use more energy-momentum than kinematically allowed, or, 
 
315
even if not, are disfavoured when the PYTHIA approach to provide 
 
316
correlated parton densities is applied. Alternatively, referring 
 
317
to case (3) above, it may be because half of the events should
 
318
be thrown for identical processes. Taken together, it is these 
 
319
effects that reduced the event number from "selected" to "accepted".
 
320
(A further reduction may occur if a 
 
321
<aloc href="UserHooks">user hook</aloc> rejects some events.) 
 
322
 
 
323
<p/>
 
324
It is allowed to use external Les Houches Accord input for the 
 
325
hardest process, and then pick an internal one for the second hardest.
 
326
In this case PYTHIA does not have access to your thinking concerning
 
327
the external process, and cannot know whether it overlaps with the 
 
328
internal or not. (External events <ei>q qbar' -> e+ nu_e</ei> could 
 
329
agree with the internal <ei>W</ei> ones, or be a <ei>W'</ei> resonance 
 
330
in a BSM scenario, to give one example.) Therefore the combined cross 
 
331
section is always based on the scenario (1) above. Corrections for 
 
332
correlated parton densities are included also in this case, however. 
 
333
That is, an external event that takes a large fraction of the incoming 
 
334
beam momenta stands a fair chance of being rejected when it has to be 
 
335
combined with another hard process. For this reason the "selected" and  
 
336
"accepted" event numbers are likely to disagree.
 
337
 
 
338
<p/>
 
339
In the cross section calculation above, the <ei>sigma'_1</ei>
 
340
cross sections are based on the number of accepted events, while 
 
341
the <ei>f_1norm</ei> factor is evaluated based on the cross sections
 
342
for selected events. That way the suppression by correlations
 
343
between the two processes does not get to be doublecounted.
 
344
 
 
345
<p/>
 
346
The <code>pythia.statistics()</code> listing contains two final
 
347
lines, indicating the summed cross sections <ei>sigma_1sum</ei> and
 
348
<ei>sigma_2sum</ei> for the first and second set of processes, at 
 
349
the "selected" stage above, plus information on the <ei>sigma_ND</ei> 
 
350
and <ei>&lt;f_impact&gt;</ei> used. The total cross section 
 
351
generated is related to this by
 
352
<eq>
 
353
&lt;f_impact&gt; * (sigma_1sum * sigma_2sum / sigma_ND) *
 
354
(n_accepted / n_selected)
 
355
</eq>
 
356
 with an additional factor of <ei>1/2</ei> for case 2 above. 
 
357
 
 
358
<p/>
 
359
The error quoted for the cross section of a process is a combination
 
360
in quadrature of the error on this process alone with the error on
 
361
the normalization factor, including the error on 
 
362
<ei>&lt;f_impact&gt;</ei>. As always it is a purely statistical one
 
363
and of course hides considerably bigger systematic uncertainties. 
 
364
 
 
365
<h3>Event information</h3>
 
366
 
 
367
Normally the <code>process</code> event record only contains the
 
368
hardest interaction, but in this case also the second hardest
 
369
is stored there. If both of them are <ei>2 -> 2</ei> ones, the
 
370
first would be stored in lines 3 - 6 and the second in 7 - 10.
 
371
For both, status codes 21 - 29 would be used, as for a hardest 
 
372
process. Any resonance decay chains would occur after the two
 
373
main processes, to allow normal parsing. The beams in 1 and 2 
 
374
only appear in one copy. This structure is echoed in the 
 
375
full <code>event</code> event record. 
 
376
 
 
377
<p/>
 
378
Most of the properties accessible by the  
 
379
<code><aloc href="EventInformation">pythia.info</aloc></code>
 
380
methods refer to the first process, whether that happens to be the
 
381
hardest or not. The code and <ei>pT</ei> scale of the second process
 
382
are accessible by the <code>info.codeMPI(1)</code> and 
 
383
<code>info.pTMPI(1)</code>, however. 
 
384
 
 
385
<p/>
 
386
The <code>sigmaGen()</code> and <code>sigmaErr()</code> methods provide 
 
387
the cross section and its error for the event sample as a whole,
 
388
combining the information from the two hard processes as described 
 
389
above. In particular, the former should be used to give the 
 
390
weight of the generated event sample. The statitical error estimate 
 
391
is somewhat cruder and gives a larger value than the 
 
392
subprocess-by-subprocess one  employed in 
 
393
<code>pythia.statistics()</code>, but this number is
 
394
anyway less relevant, since systematical errors are likely to dominate. 
 
395
 
 
396
</chapter>
 
397
 
 
398
<!-- Copyright (C) 2012 Torbjorn Sjostrand -->