Advanced

Merging Parton Showers and Matrix Elements

Lavesson, Nils LU (2009)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om modeller inom partikelfysik, vilka beskriver naturens minsta beståndsdelar. En atom består av en kärna och elektroner. Kärnan består av protoner och neutroner, vilka i sin tur består av kvarkar och gluoner. Dessa partiklar samt hela den flora av andra partiklar som bara går att skapa vid experiment är vad som studeras inom partikelfysiken.



Den dominerande teorin inom partikelfysiken är standardmodellen. Standardmodellen formulerades på 1970-talet och har sedan dess utsatts för många tester. De allra flesta delarna av teorin är bekräftade och teorin beskriver nästan all data på ett tillfredsställande sätt. Den enda partikeln som finns i... (More)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om modeller inom partikelfysik, vilka beskriver naturens minsta beståndsdelar. En atom består av en kärna och elektroner. Kärnan består av protoner och neutroner, vilka i sin tur består av kvarkar och gluoner. Dessa partiklar samt hela den flora av andra partiklar som bara går att skapa vid experiment är vad som studeras inom partikelfysiken.



Den dominerande teorin inom partikelfysiken är standardmodellen. Standardmodellen formulerades på 1970-talet och har sedan dess utsatts för många tester. De allra flesta delarna av teorin är bekräftade och teorin beskriver nästan all data på ett tillfredsställande sätt. Den enda partikeln som finns i standardmodellen som inte upptäckts än är Higgs-partikeln, vilken ger de andra partiklarna sin massa.



Det finns fyra krafter i naturen: starka kraften, svaga krafter, elektromagnetism och gravitation. Den starka kraften håller ihop atomkärnor och den svaga kraften ger upphov till vissa typer av radioaktiva sönderfall. Elektromagnetismen beskriver växelverkan mellan allt som har elektrisk laddning, tex. atomkärnan och elektronerna. Standardmodellen beskriver den starka, svaga och elektromagnetiska kraften, men säger ingenting om gravitation då gravitationen är mycket svagare än de andra krafterna och därför är i det närmaste omöjlig att mäta vid partikelfysikexperiment.



Hur små strukturer man kan studera är omvänt proportionellt mot den energi man använder. Det vill säga, desto större energi desto mindre skalor kan man studera. För att kunna göra kunna studera naturens minsta beståndsdelar behövs väldigt kraftfull utrustning. Metoden som används är att accelerera partiklar till mycket hög energi och låta dem kollidera. De partiklar som produceras vid kollisionen studeras sedan och kan användas för att dra slutsatser om strukturerna hos de partiklar som skapats vid kollisionen. De flesta partiklar man är intresserad av är instabila och sönderfaller snabbt vilket gör att man bara kan studera deras sönderfallsprodukter. Experimenten inom partikelfysik är ganska dyra att bygga och därför finns det endast ett fåtal i världen. Just nu håller LHC, som är det största experimentet hittills, på att starta och förhoppningsvis kommer vi att få se nya resultat inom något år.



Denna avhandling rör mest den del av standardmodellen som beskriver den starka kraften. Teorin kallas för QCD (Quantum Chromo Dyanmics) och beskriver många experiment väl. På grund av komplexiteten hos QCD använder man sig av Monte Carlo-tekniker för att simulera experimentella resultat. Monte Carlo går ut på att man genererar händelser slumpmässigt enligt en fördelning given av en modell av problemet. Inom QCD används dels rent teoretiska härledningar och dels modellering som är mer kopplade till experiment för att få en god beskrivning av fysiken. Monte Carlo-modeller har använts för att beskriva mängder av data.



En sorts observabler som används mycket i den här avhandlingen är vad som kallas för jettar. Det hela kommer från att vid en partikelkollision är de utgående partiklarna inte jämt fördelade över alla vinklar utan tenderar att klumpa ihop sig inom mindre områden. En sådan klump med partiklar kallas för en jet.



Inom partikelfysiken letar man ständigt efter ny fysik. Det finns mängder av mer eller mindre lovande kandidater att studera då data från nästa experiment kommer att börja analyseras. Partiklarna som eventuellt kommer att skapas kan bara detekteras via deras sönderfall och en stor del av dessa nya partiklar kommer, om de existerar, att visa sig i form av tillstånd med många jettar. Samma tillstånd kan dock produceras genom QCD och detta utgör den experimentella bakgrunden. För att kunna göra en noggrann mätning av signalen behöver man god kännedom om bakgrunden.



Problemet är att befintliga modeller inte beskriver tillstånd med många jettar på ett tillfredsställande sätt. Den fysik som styr skapandet av jettar har delvis approximerats bort då teorin modifierats för att kunna användas i Monte Carlo-simuleringar. Detta är ett välkänt problem inom partikelfysiken och behöver åtgärdas för att få en bra beskrivning av bakgrunden till ny fysik.



Denna avhandling handlar om att utveckla nya modeller som bättre beskriver tillstånd med många jettar. Dessa modeller implementeras sedan som en del av befintliga Monto Carlo-program och kan jämföras med data. I de första två artiklarna ligger fokus på att använda metoderna för att göra så goda förutsägelser som möjligt för observabler som är av intresse för experimentalister. De tredje artikeln är en utvärdering av befintliga metoder med hjälp av en enklare process, vilket visade på flera svagheter i algoritmerna. Den avslutande artikeln är en vidareutveckling av metoden som användes tidigare för att kunna genomföra beräkningar med ännu bättre noggranhet. (Less)
Abstract
This thesis considers models for describing high energy particle collisions. Existing phenomonological models are modified and new implementations made in order to achive a better description of states with several hard jets. To predict final state hadrons, parton showers are used together with pheonomenological hadronization models. These models describe a wide range of observables, but have the shortcomming that they do not describe states with several jets well. Jets are better described using matrix elements, which then needs to be merged with the parton shower description.



Paper I extends one of the earlier merging algorithms to hadron collisions. The resulting algorithm is applied to W plus jets production at the... (More)
This thesis considers models for describing high energy particle collisions. Existing phenomonological models are modified and new implementations made in order to achive a better description of states with several hard jets. To predict final state hadrons, parton showers are used together with pheonomenological hadronization models. These models describe a wide range of observables, but have the shortcomming that they do not describe states with several jets well. Jets are better described using matrix elements, which then needs to be merged with the parton shower description.



Paper I extends one of the earlier merging algorithms to hadron collisions. The resulting algorithm is applied to W plus jets production at the Tevatron.



Paper II is a comparison of several different algorithms from merging parton shower and matrix elements. The algorithms are compared for a range of observables for W plus jets production at the Tevatron and the LHC. The systematics of each algorithms is also studied.



Paper III deals with the more simple case of e+e- to jets, where the theory is better understood. Here the most simple matrix element is used for the merging and results are studied for four different algorithms. Three of the algorithms are shown to have problems not previously discussed in the literature.



Paper IV presents an extension to the merging algorithms, that allows for including matrix elements with loops. The algorithm is applied to e+e- with matrix element contributions of up to order alphas^2. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Mrenna, Stephen, Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois 60510, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Parton Model, QCD Phenomenology, Phenomenological Models, QCD, Jets
pages
190 pages
defense location
Lecture Hall B, Department of Physics, Sölvegatan 14 C, Lund, Sweden
defense date
2009-02-13 10:15
ISBN
978-91-628-7672-2
language
English
LU publication?
yes
id
1be643de-41c0-4521-ab1f-423402e462d2 (old id 1278395)
date added to LUP
2009-01-20 15:16:45
date last changed
2016-09-19 08:45:19
@phdthesis{1be643de-41c0-4521-ab1f-423402e462d2,
  abstract     = {This thesis considers models for describing high energy particle collisions. Existing phenomonological models are modified and new implementations made in order to achive a better description of states with several hard jets. To predict final state hadrons, parton showers are used together with pheonomenological hadronization models. These models describe a wide range of observables, but have the shortcomming that they do not describe states with several jets well. Jets are better described using matrix elements, which then needs to be merged with the parton shower description.<br/><br>
<br/><br>
Paper I extends one of the earlier merging algorithms to hadron collisions. The resulting algorithm is applied to W plus jets production at the Tevatron.<br/><br>
<br/><br>
Paper II is a comparison of several different algorithms from merging parton shower and matrix elements. The algorithms are compared for a range of observables for W plus jets production at the Tevatron and the LHC. The systematics of each algorithms is also studied.<br/><br>
<br/><br>
Paper III deals with the more simple case of e+e- to jets, where the theory is better understood. Here the most simple matrix element is used for the merging and results are studied for four different algorithms. Three of the algorithms are shown to have problems not previously discussed in the literature.<br/><br>
<br/><br>
Paper IV presents an extension to the merging algorithms, that allows for including matrix elements with loops. The algorithm is applied to e+e- with matrix element contributions of up to order alphas^2.},
  author       = {Lavesson, Nils},
  isbn         = {978-91-628-7672-2},
  keyword      = {Parton Model,QCD Phenomenology,Phenomenological Models,QCD,Jets},
  language     = {eng},
  pages        = {190},
  school       = {Lund University},
  title        = {Merging Parton Showers and Matrix Elements},
  year         = {2009},
}