Taller 1
Convenciones utilizadas en esta guía
Material
El material para este taller, se puede descargar del siguiente link:
tar xzvf ejercicios-Parte1.tgz
cd ejercicios-Parte1
En esta carpeta, se encuentra el codigo necesario para la hacer los ejercicios. Tambien existe una carpeta
solucion que contiene el codigo completo.
Ejercicio 1 – Selección de un proceso a simular con Pythia8
El primer ejercicio será una sencilla simulación de producción de Higgs.
- Dibuje los posibles diagramas de Feynman para producción de Higgs en el LHC
- Para una masa M_H = 200 GeV, el decaimiento predominante es el que termina en un par de bosones WW tal como se ilustra en la imagen siguiente:
Vamos a generar unos eventos de producción de Higgs en colisiones p-p a 8
TeV de energia de centro de masa. Utilizaremos el simulador de eventos Pythia en su version 8. Este se encuentra instalado en el Live-CD que usted esta usando. Utilizaremos un script de
ROOT, el cual posee una interface para llamar a Pythia desde
ROOT y guardar los eventos generados en un archivo de salida en formato de
ROOT.
- Lo primero que haremos es hacer un exploracion de este script y cambiar algunas configuraciones. Para ello editar el archivo siguiente:
gedit pythia8_Higgs.C
- El script define una funcion llamada pythia8_Higgs() (recuerden que el lenguaje de programacion es C/C++). La funcion retorna ni toma un argumento.
- Se declaran y definen varias variables (leer los comentarios que acompañan). La parte que nos interesa empieza cuando se declara y define un apuntador a un objeto de tipo Pythia8 en la linea siguiente:
TPythia8* pythia8 = new TPythia8();
- De ahi en adelante, lo que hacemos en configurar este objeto, pues es el que desde ROOT llama al generador de eventos.
- Lo primero sera seleccionar el tipo de proceso a simular. Para fisica del Higgs, los procesos disponibles que posee Pythia son principalmente los siguientes:
- Editaremos el script en la linea siguiente y colocaremos la produccion de Higgs por fusion de gluones:
pythia8->ReadString("HiggsSM:gg2H = on");
- Ahora seleccionamos la masa del Higgs en 200.0 GeV en la linea siguiente:
pythia8->ReadString("25:m0 = 200.0");
- Por convencion 25 es el codigo que tiene el boson de Higgs dentro de los generadores de eventos y m0 es su parametro de masa.
- Lo siguiente que hacemos es forzar los decaimientos del Higgs en WW. Para ello quitar el comentario a las lineas siguientes:
//pythia8->ReadString("25:onMode = off");
//pythia8->ReadString("25:onIfMatch = 24 -24");
- 24 y -24 son los codigos que tienen los bosones W- y W+ respectivamente. Por convencion un signo menos significa anti-particula
- Ejecutamos la simulación desde la linea de comando. Tomar nota del listado que aparece en pantalla.
root -q pythia8_Higgs.C
- root es el ejecutable de ROOT que se llama con la opcion -q la cual hace terminar ROOT una vez termine de ejecutar el script
- Dado que la salida en pantalla es de varias lineas, vamos a capturar esta salida en un archivo de texto. Para ello redireccionamos la salida en pantalla.
- Correr nuevamente la simulacion, esta vez con las siguientes opciones:
root -q pythia8_Higgs.C > salida-simulacion-1.txt 2>&1
- La opcion > le dice al shell de Linux de redireccionar la salida al archivo "salida-simulacion.txt". Al final, la opcion 2>&1 hace que se incluyan los errores en el archivo de salida.
- Ahora si podemos ver completo, la salida de la simulacion:
gedit salida-simulacion-1.txt
....
*------- PYTHIA Process Initialization --------------------------*
| |
| We collide p+ with p+ at a CM energy of 8.000e+03 GeV |
| |
|------------------------------------------------------------------|
| | |
| Subprocess Code | Estimated |
| | max (mb) |
| | |
|------------------------------------------------------------------|
| | |
| g g -> H (SM) 902 | 6.282e-09 |
| |
*------- End PYTHIA Process Initialization -----------------------*
*------- PYTHIA Multiple Interactions Initialization ------------*
| |
| sigmaNonDiffractive = 52.12 mb |
| |
| pT0 = 2.77 gives sigmaInteraction = 218.60 mb: accepted |
| |
*------- End PYTHIA Multiple Interactions Initialization --------*
-------- PYTHIA Event Listing (complete event) ---------------------------------------------------------------------------------
no id name status mothers daughters colours p_x p_y p_z e m
0 90 (system) -11 0 0 0 0 0 0 0.000 0.000 0.000 8000.000 8000.000
1 2212 (p+) -12 0 0 568 0 0 0 0.000 0.000 4000.000 4000.000 0.938
2 2212 (p+) -12 0 0 569 0 0 0 0.000 0.000 -4000.000 4000.000 0.938
3 21 (g) -21 6 6 5 5 101 102 0.000 0.000 154.730 154.730 0.000
4 21 (g) -21 7 0 5 5 102 101 0.000 0.000 -64.153 64.153 0.000
5 25 (h0(H_1)) -22 3 4 8 8 0 0 0.000 0.000 90.577 218.883 199.262
....
Ejercicio 2 – Forzar el decaimiento leptónico de los W
- Dibuje ahora el diagrama de Feynman correspondiente a H \to WW \to leptones.
- Enfocaremos la simulación para que los W terminen solamente en leptones ( un lepton cargado y un neutrino )
- Editar nuevamente pythia8_Higgs.C:
gedit pythia8_Higgs.C
- Quitar los comentarios a las lineas siguientes:
//pythia8->ReadString("24:onMode = off");
//pythia8->ReadString("24:onIfMatch = -13 14");
- Primero apagamos todos los posibles decaimientos y luego encendemos solo aquellos que nos interesa: en este caso W+ -> anti-muon neutrino-muonico. Ejecutamos nuevamente el script y hacemos que la salida se guarde en un archivo.
root -q pythia8_Higgs.C > salida-simulacion-2.txt 2>&1
- Ahora podemos compar la salida de ambos modos de correr Pythia. Miremos al final del listado los estados finales.
gedit salida-simulacion-2.txt
751 24 (W+) -22 570 0 753 754 0 0 -51.746 -32.147 26.442 102.349 77.879
752 -24 (W-) -22 570 0 758 759 0 0 21.587 52.766 58.718 117.406 84.179
753 -13 (mu+) -23 751 0 755 756 0 0 -59.708 -46.758 6.121 76.085 0.106
754 14 (nu_mu) -23 751 0 757 757 0 0 7.962 14.611 20.321 26.265 0.000
755 -13 mu+ 51 753 0 0 0 0 0 -52.146 -40.840 5.347 66.450 0.106
756 22 gamma 51 753 0 0 0 0 0 -7.563 -5.918 0.773 9.634 0.000
757 14 nu_mu 52 754 754 0 0 0 0 7.962 14.611 20.321 26.265 0.000
758 13 mu- 23 752 0 0 0 0 0 4.591 -1.138 60.668 60.852 0.106
759 -14 nu_mubar 23 752 0 0 0 0 0 16.996 53.904 -1.950 56.553 0.000
Charge sum: 2.000 Momentum sum: 0.000 -0.000 -0.000 8000.000 8000.000
....
Ejercicio 3 - Higgs-strahlung
Ahora vamos a cambiar el proceso a simular. Queremos simular el llamado "Higgs-strahlung" que se representa por el siguiente diagrama:
- Como podriamos hacerlo? Mirar la tabla de arriba en la que aparecen listados los posibles procesos.
- En efecto, lo primero es cambiar el proceso en el script. Editar y colocar el proceso:
gedit pythia8_Higgs.C
pythia8->ReadString("HiggsSM:ffbar2HZ = on");
- Ahora seleccionamos la masa del Higgs en 125.0 GeV en la linea siguiente:
pythia8->ReadString("25:m0 = 125.0");
- Podemos mantener la opcion de que el Higgs decaiga en un par de bosones W y su subsiguiente decaimiento leptonicamente (en muones).
root -q pythia8_Higgs.C > salida-simulacion-3.txt 2>&1
- Estudiar ahora la salida de esta nueva configuracion.
gedit salida-simulacion-3.txt
Ejercicio 4 - Higgs-strahlung completo
Necesitamos completar el ejercicio anterior para hacer la simulacion exacta del proceso que se detalla en la figura. Que nos hace falta?
- Queremos que en el estado final tengamos dos muones provenientes del decaimiento del boson Z0
- Queremos que el Higgs decaiga en un par de quarks b
- Como hariamos esto?
Tendriamos que saber los codigos de las particulas que necesitamos. A continuacion cito algunos de estos codigos:
- Tenemos que fijar el decaimiento del boson Z0 en un par de muones ( 23 -> -13 13 )
- Tenemos que fijar el decaimiento del Higgs en un par de quarks b ( 25 -> -5 5 )
- Podemos empezar por cambiar estas lineas en el codigo existente:
pythia8->ReadString("25:onMode = off");
pythia8->ReadString("25:onIfMatch = -5 5");
- Y adicionar ahora la codicion de decaimientos para el Z0 (no hay problema si mantenemos las del W):
pythia8->ReadString("23:onMode = off");
pythia8->ReadString("23:onIfMatch = -13 13");
- Nuevamente ejecutemos la simulacion, cambiando el nombre del archivo de salida:
root -q pythia8_Higgs.C > salida-simulacion-4.txt 2>&1
- Estudiar ahora la salida de esta nueva configuracion.
gedit salida-simulacion-4.txt
*------- PYTHIA Process Initialization --------------------------*
| |
| We collide p+ with p+ at a CM energy of 8.000e+03 GeV |
| |
|------------------------------------------------------------------|
| | |
| Subprocess Code | Estimated |
| | max (mb) |
| | |
|------------------------------------------------------------------|
| | |
| f fbar -> H0 Z0 (SM) 904 | 4.484e-11 |
| |
no id name status mothers daughters colours p_x p_y p_z e m
0 90 (system) -11 0 0 0 0 0 0 0.000 0.000 0.000 8000.000 8000.000
1 2212 (p+) -12 0 0 502 0 0 0 0.000 0.000 4000.000 4000.000 0.938
2 2212 (p+) -12 0 0 503 0 0 0 0.000 0.000 -4000.000 4000.000 0.938
3 -1 (dbar) -21 7 0 5 6 0 101 0.000 0.000 180.924 180.924 0.000
4 1 (d) -21 8 8 5 6 101 0 0.000 0.000 -98.492 98.492 0.000
5 25 (h0(H_1)) -22 3 4 9 9 0 0 51.216 59.822 44.804 154.383 125.000
6 23 (Z0) -22 3 4 10 10 0 0 -51.216 -59.822 37.628 125.034 89.531
682 -5 bbar 51 681 0 0 0 0 276 -0.904 23.819 -38.266 45.338 4.800
708 5 b 52 690 690 0 0 277 0 43.770 25.611 77.457 92.706 4.800
711 -13 mu+ 51 710 0 0 0 0 0 -9.265 -45.423 52.312 69.897 0.106
713 13 mu- 52 709 709 0 0 0 0 -39.886 -12.939 -22.438 47.558 0.106
Bien. Por el momento hemos manipulado la simulacion y espero que tengamos control sobre esta. Que sigue ahora?
- Nuestra simulacion de este proceso no es del todo acertada: los quarks b no existen libres en la naturaleza.
- Tendremos que instruir a Pythia de que cree hadrones, los cuales podriamos eventualmente observar en un detector
- Hacer un analisis basado en la simulacion: podremos reconstruir la masa del Higgs?
Esto lo haremos en el tutorial siguiente. Para pasar al Taller No 2:
EPUniandes2012TC2
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AndresOsorio - 25-May-2012