]> git.uio.no Git - u/mrichter/AliRoot.git/blob - PYTHIA8/pythia8130/xmldoc/MultipleInteractions.xml
using option '-treename HLTesdTree' for EsdCollector, adding default parameter for...
[u/mrichter/AliRoot.git] / PYTHIA8 / pythia8130 / xmldoc / MultipleInteractions.xml
1 <chapter name="Multiple Interactions">
2
3 <h2>Multiple Interactions</h2>
4
5 The starting point for the multiple interactions physics scenario in
6 PYTHIA is provided by <ref>Sjo87</ref>. Recent developments have 
7 included a more careful study of flavour and colour correlations, 
8 junction topologies and the relationship to beam remnants 
9 <ref>Sjo04</ref>, and interleaving with initial-state radiation 
10 <ref>Sjo05</ref>, making use of transverse-momentum-ordered
11 initial- and final-state showers. 
12
13 <p/>
14 A big unsolved issue is how the colour of all these subsystems is 
15 correlated. For sure there is a correlation coming from the colour
16 singlet nature of the incoming beams, but in addition final-state 
17 colour rearrangements may change the picture. Indeed such extra
18 effects appear necessary to describe data, e.g. on 
19 <ei>&lt;pT&gt;(n_ch)</ei>. A simple implementation of colour 
20 rearrangement is found as part of the
21 <aloc href="BeamRemnants">beam remnants</aloc> description.
22
23 <h3>Main variables</h3>
24
25 The maximum <ei>pT</ei> to be allowed for multiple interactions is
26 related to the nature of the hard process itself. It involves a
27 delicate balance between not doublecounting and not leaving any
28 gaps in the coverage. The best procedure may depend on information 
29 only the user has: how the events were generated and mixed (e.g. with 
30 Les Houches Accord external input), and how they are intended to be 
31 used. Therefore a few options are available, with a sensible default 
32 behaviour.
33 <modepick name="MultipleInteractions:pTmaxMatch" default="0" min="0" max="2">
34 Way in which the maximum scale for multiple interactions is set
35 to match the scale of the hard process itself.
36 <option value="0"><b>(i)</b> if the final state of the hard process 
37 (not counting subsequent resonance decays) contains only quarks 
38 (<ei>u, d, s, c ,b</ei>), gluons and photons then <ei>pT_max</ei> 
39 is chosen to be the factorization scale for internal processes 
40 and the <code>scale</code> value for Les Houches input; 
41 <b>(ii)</b> if not, interactions are allowed to go all the way up 
42 to the kinematical limit. 
43 The reasoning is that the former kind of processes are generated by
44 the multiple-interactions machinery and so would doublecount hard
45 processes if allowed to overlap the same <ei>pT</ei> range, 
46 while no such danger exists in the latter case.
47 </option>
48 <option value="1">always use the factorization scale for an internal
49 process and the <code>scale</code> value for Les Houches input, 
50 i.e. the lower value. This should avoid doublecounting, but
51 may leave out some interactions that ought to have been simulated.
52 </option>
53 <option value="2">always allow multiple interactions up to the 
54 kinematical limit. This will simulate all possible event topologies, 
55 but may lead to doublecounting.
56 </option>
57 </modepick>
58
59 <p/>
60 The rate of interactions is determined by 
61 <parm name="MultipleInteractions:alphaSvalue" default="0.127" min="0.06" max="0.25">
62 The value of <ei>alpha_strong</ei> at <ei>m_Z</ei>. Default value is 
63 picked equal to the one used in CTEQ 5L. 
64 </parm> 
65
66 <p/>
67 The actual value is then regulated by the running to the scale 
68 <ei>pT^2</ei>, at which it is evaluated
69 <modepick name="MultipleInteractions:alphaSorder" default="1" min="0" max="2">
70 The order at which <ei>alpha_strong</ei> runs at scales away from 
71 <ei>m_Z</ei>.
72 <option value="0">zeroth order, i.e. <ei>alpha_strong</ei> is kept 
73 fixed.</option>
74 <option value="1">first order, which is the normal value.</option>
75 <option value="2">second order. Since other parts of the code do 
76 not go to second order there is no strong reason to use this option, 
77 but there is also nothing wrong with it.</option>
78 </modepick>
79
80 <p/>
81 QED interactions are regulated by the <ei>alpha_electromagnetic</ei>
82 value at the <ei>pT^2</ei> scale of an interaction.
83  
84 <modepick name="MultipleInteractions:alphaEMorder" default="1" min="-1" max="1">
85 The running of <ei>alpha_em</ei> used in hard processes.
86 <option value="1">first-order running, constrained to agree with
87 <code>StandardModel:alphaEMmZ</code> at the <ei>Z^0</ei> mass.
88 </option>
89 <option value="0">zeroth order, i.e. <ei>alpha_em</ei> is kept 
90 fixed at its value at vanishing momentum transfer.</option>
91 <option value="-1">zeroth order, i.e. <ei>alpha_em</ei> is kept 
92 fixed, but at <code>StandardModel:alphaEMmZ</code>, i.e. its value
93 at the <ei>Z^0</ei> mass.
94 </option> 
95 </modepick>
96
97 <p/>
98 Note that the choices of <ei>alpha_strong</ei> and <ei>alpha_em</ei> 
99 made here override the ones implemented in the normal process machinery, 
100 but only for the interactions generated by the 
101 <code>MultipleInteractions</code> class.
102
103 <p/>
104 In addition there is the possibility of a global rescaling of 
105 cross sections (which could not easily be accommodated by a 
106 changed <ei>alpha_strong</ei>, since <ei>alpha_strong</ei> runs)
107 <parm name="MultipleInteractions:Kfactor" default="1.0" min="0.5" max="4.0">
108 Multiply all cross sections by this fix factor.
109 </parm>
110
111 <p/>
112 There are two complementary ways of regularizing the small-<ei>pT</ei> 
113 divergence, a sharp cutoff and a smooth dampening. These can be 
114 combined as desired, but it makes sense to coordinate with how the 
115 same issue is handled in <aloc href="SpacelikeShowers">spacelike 
116 showers</aloc>. Actually, by default, the parameters defined here are 
117 used also for the spacelike showers, but this can be overridden.
118
119 <p/>
120 Regularization of the divergence of the QCD cross section for 
121 <ei>pT -> 0</ei> is obtained by a factor <ei>pT^4 / (pT0^2 + pT^2)^2</ei>, 
122 and by using an <ei>alpha_s(pT0^2 + pT^2)</ei>. An energy dependence 
123 of the <ei>pT0</ei> choice is introduced by two further parameters, 
124 so that <ei>pT0Ref</ei> is the <ei>pT0</ei> value for the reference 
125 cm energy, <ei>pT0Ref = pT0(ecmRef)</ei>.   
126 <note>Warning:</note> if a large <ei>pT0</ei> is picked for multiple 
127 interactions, such that the integrated interaction cross section is 
128 below the nondiffractive inelastic one, this <ei>pT0</ei> will 
129 automatically be scaled down to cope.
130
131 <p/>
132 The actual pT0 parameter used at a given cm energy scale, <ei>ecmNow</ei>,
133 is obtained as
134 <eq>
135      pT0 = pT0(ecmNow) = pT0Ref * (ecmNow / ecmRef)^ecmPow 
136 </eq>
137 where <ei>pT0Ref</ei>, <ei>ecmRef</ei> and <ei>ecmPow</ei> are the 
138 three parameters below.
139
140 <parm name="MultipleInteractions:pT0Ref" default="2.15" min="0.5" max="10.0">
141 The <ei>pT0Ref</ei> scale in the above formula.
142 <note>Note:</note> <ei>pT0Ref</ei> is one of the key parameters in a
143 complete PYTHIA tune. Its value is intimately tied to a number of other
144 choices, such as that of colour flow description, so unfortunately it is
145 difficult to give an independent meaning to <ei>pT0Ref</ei>.
146 </parm>
147
148 <parm name="MultipleInteractions:ecmRef" default="1800.0" min="1.">
149 The <ei>ecmRef</ei> reference energy scale introduced above.
150 </parm>
151
152 <parm name="MultipleInteractions:ecmPow" default="0.16" min="0.0" max="0.5">
153 The <ei>ecmPow</ei> energy rescaling pace introduced above.
154 </parm>
155
156 <p/>
157 Alternatively, or in combination, a sharp cut can be used.
158 <parm name="MultipleInteractions:pTmin" default="0.2" min="0.1" max="10.0">
159 Lower cutoff in <ei>pT</ei>, below which no further interactions 
160 are allowed. Normally <ei>pT0</ei> above would be used to provide 
161 the main regularization of the cross section for <ei>pT -> 0</ei>, 
162 in which case <ei>pTmin</ei> is used  mainly for technical reasons. 
163 It is possible, however, to set <ei>pT0Ref = 0</ei> and use 
164 <ei>pTmin</ei> to provide a step-function regularization, or to 
165 combine them in intermediate approaches. Currently <ei>pTmin</ei> 
166 is taken to be energy-independent.  
167 </parm>
168
169 <p/> 
170 The choice of impact-parameter dependence is regulated by several
171 parameters.
172
173 <modepick name="MultipleInteractions:bProfile" default="2" 
174 min="0" max="3">
175 Choice of impact parameter profile for the incoming hadron beams.
176 <option value="0">no impact parameter dependence at all.</option>
177 <option value="1">a simple Gaussian matter distribution; 
178 no free parameters.</option>
179 <option value="2">a double Gaussian matter distribution, 
180 with the two free parameters <ei>coreRadius</ei> and 
181 <ei>coreFraction</ei>.</option>
182 <option value="3">an overlap function, i.e. the convolution of 
183 the matter distributions of the two incoming hadrons, of the form
184 <ei>exp(- b^expPow)</ei>, where <ei>expPow</ei> is a free 
185 parameter.</option> 
186 </modepick>
187
188 <parm name="MultipleInteractions:coreRadius" default="0.4" min="0.1" max="1.">
189 When assuming a double Gaussian matter profile, <ei>bProfile = 2</ei>,
190 the inner core is assumed to have a radius that is a factor
191 <ei>coreRadius</ei> smaller than the rest.
192 </parm> 
193
194 <parm name="MultipleInteractions:coreFraction" default="0.5" min="0." max="1."> 
195 When assuming a double Gaussian matter profile, <ei>bProfile = 2</ei>,
196 the inner core is assumed to have a fraction <ei>coreFraction</ei> 
197 of the matter content of the hadron.
198 </parm> 
199
200 <parm name="MultipleInteractions:expPow" default="1." min="0.4" max="10.">
201 When <ei>bProfile = 3</ei> it gives the power of the assumed overlap 
202 shape <ei>exp(- b^expPow)</ei>. Default corresponds to a simple 
203 exponential drop, which is not too dissimilar from the overlap 
204 obtained with the standard double Gaussian parameters. For 
205 <ei>expPow = 2</ei> we reduce to the simple Gaussian, <ei>bProfile = 1</ei>, 
206 and for <ei>expPow -> infinity</ei> to no impact parameter dependence 
207 at all, <ei>bProfile = 0</ei>. For small <ei>expPow</ei> the program 
208 becomes slow and unstable, so the min limit must be respected.
209 </parm> 
210
211 <p/> 
212 It is possible to regulate the set of processes that are included in the
213 multiple-interactions framework.
214
215 <modepick name="MultipleInteractions:processLevel" default="3" 
216 min="0" max="3">
217 Set of processes included in the machinery.
218 <option value="0">only the simplest <ei>2 -> 2</ei> QCD processes
219 between quarks and gluons, giving no new flavours, i.e. dominated by
220 <ei>t</ei>-channel gluon exchange.</option>
221 <option value="1">also <ei>2 -> 2</ei> QCD processes giving new flavours
222 (including charm and bottom), i.e. proceeding through <ei>s</ei>-channel 
223 gluon exchange.</option>
224 <option value="2">also <ei>2 -> 2</ei> processes involving one or two
225 photons in the final state, <ei>s</ei>-channel <ei>gamma</ei>
226 boson exchange and <ei>t</ei>-channel <ei>gamma/Z^0/W^+-</ei>
227 boson exchange.</option>
228 <option value="3">also charmonium and bottomonium production, via
229 colour singlet and colour octet channels.</option> 
230 </modepick>
231
232 <h3>Further variables</h3>
233
234 These should normally not be touched. Their only function is for
235 cross-checks.
236
237 <modeopen name="MultipleInteractions:nQuarkIn" default="5" min="0" max="5">
238 Number of allowed incoming quark flavours in the beams; a change 
239 to 4 would thus exclude <ei>b</ei> and <ei>bbar</ei> as incoming 
240 partons, etc.
241 </modeopen>
242
243 <modeopen name="MultipleInteractions:nSample" default="1000" min="100"> 
244 The allowed <ei>pT</ei> range is split (unevenly) into 100 bins, 
245 and in each of these the interaction cross section is evaluated in 
246 <ei>nSample</ei> random phase space points. The full integral is used 
247 at initialization, and the differential one during the run as a
248 "Sudakov form factor" for the choice of the hardest interaction.
249 A larger number implies increased accuracy of the calculations.
250 </modeopen>
251
252 <h3>The process library</h3>
253
254 The processes used to generate multiple interactions form a subset
255 of the standard library of hard processes. The input is slightly
256 different from the standard hard-process machinery, however, 
257 since incoming flavours, the <ei>alpha_strong</ei> value and most
258 of the kinematics are aready fixed when the process is called.
259
260 <h3>Technical notes</h3>
261
262 Relative to the articles mentioned above, not much has happened.
263 The main news is a technical one, that the phase space of the 
264 <ei>2 -> 2</ei> (massless) QCD processes is now sampled in 
265 <ei>dy_3 dy_4 dpT^2</ei>, where <ei>y_3</ei> and <ei>y_4</ei> are 
266 the rapidities of the two produced partons. One can show that
267 <eq>
268     (dx_1 / x_1) * (dx_2 / x_2) * d(tHat) = dy_3 * dy_4 * dpT^2
269 </eq>
270 Furthermore, since cross sections are dominated by the "Rutherford"
271 one of <ei>t</ei>-channel gluon exchange, which is enhanced by a 
272 factor of 9/4 for each incoming gluon, effective structure functions 
273 are defined as
274 <eq>
275     F(x, pT2) = (9/4) * xg(x, pT2) + sum_i xq_i(x, pT2) 
276 </eq>
277 With this technical shift of factors 9/4 from cross sections to parton 
278 densities, a common upper estimate of 
279 <eq>
280     d(sigmaHat)/d(pT2) &lt; pi * alpha_strong^2 / pT^4   
281 </eq>
282 is obtained. 
283
284 <p/>
285 In fact this estimate can be reduced by a factor of 1/2 for the 
286 following reason: for any configuration <ei>(y_3, y_4, pT2)</ei> also 
287 one with <ei>(y_4, y_3, pT2)</ei> lies in the phase space. Not both 
288 of those can enjoy being enhanced by the <ei>tHat -> 0</ei> 
289 singularity of 
290 <eq>
291     d(sigmaHat) propto 1/tHat^2. 
292 </eq>
293 Or if they are, which is possible with identical partons like 
294 <ei>q q -> q q</ei> and <ei>g g -> g g</ei>, each singularity comes 
295 with half the strength. So, when integrating/averaging over the two 
296 configurations, the estimated <ei>d(sigmaHat)/d(pT2)</ei> drops. 
297 Actually, it drops even further, since the naive estimate above is 
298 based on
299 <eq>
300     (4 /9) * (1 + (uHat/sHat)^2) &lt; 8/9 &lt; 1
301 </eq>
302 The 8/9 value would be approached for <ei>tHat -> 0</ei>, which 
303 implies <ei>sHat >> pT2</ei> and thus a heavy parton-distribution 
304 penalty, while parton distributions are largest for 
305 <ei>tHat = uHat = -sHat/2</ei>, where the above expression 
306 evaluates to 5/9. A fudge factor is therefore introduced to go the 
307 final step, so it can easily be modifed when further non-Rutherford 
308 processes are added, or should parton distributions change significantly.
309
310 <p/>
311 At initialization, it is assumed that  
312 <eq>
313     d(sigma)/d(pT2) &lt; d(sigmaHat)/d(pT2) * F(x_T, pT2) * F(x_T, pT2)
314        * (2 y_max(pT))^2
315 </eq>
316 where the first factor is the upper estimate as above, the second two
317 the parton density sum evaluated at <ei>y_3 = y_ 4 = 0</ei> so that 
318 <ei>x_1 = x_2 = x_T = 2 pT / E_cm</ei>, where the product is expected 
319 to be maximal, and the final is the phase space for
320 <ei>-y_max &lt; y_{3,4} &lt; y_max</ei>.
321 The right-hand side expression is scanned logarithmically in <ei>y</ei>, 
322 and a <ei>N</ei> is determined such that it always is below 
323 <ei>N/pT^4</ei>.
324
325 <p/>
326 To describe the dampening of the cross section at <ei>pT -> 0</ei> by
327 colour screening, the actual cross section is multiplied by a 
328 regularization factor <ei>(pT^2 / (pT^2 + pT0^2))^2</ei>, and the 
329 <ei>alpha_s</ei> is evaluated at a scale <ei>pT^2 + pT0^2</ei>, 
330 where <ei>pT0</ei> is a free parameter of the order of 2 - 4 GeV. 
331 Since <ei>pT0</ei> can be energy-dependent,  an ansatz
332 <eq>
333     pT0(ecm) = pT0Ref * (ecm/ecmRef)^ecmPow
334 </eq>
335 is used, where <ei>ecm</ei> is the current cm frame energy, 
336 <ei>ecmRef</ei> is an arbitrary reference energy where <ei>pT0Ref</ei> 
337 is defined, and <ei>ecmPow</ei> gives the energy rescaling pace. For 
338 technical reasons, also an absolute lower <ei>pT</ei> scale <ei>pTmin</ei>, 
339 by default 0.2 GeV, is introduced. In principle, it is possible to 
340 recover older scenarios with a sharp <ei>pT</ei> cutoff by setting 
341 <ei>pT0 = 0</ei> and letting <ei>pTmin</ei> be a larger number. 
342
343 <p/>
344 The above scanning strategy is then slightly modified: instead of
345 an upper estimate <ei>N/pT^4</ei> one of the form 
346 <ei>N/(pT^2 + r * pT0^2)^2</ei> is used. At first glance, <ei>r = 1</ei> 
347 would seem to be fixed by the form of the regularization procedure, 
348 but this does not take into account the nontrivial dependence on 
349 <ei>alpha_s</ei>, parton distributions and phase space. A better 
350 Monte Carlo efficiency is obtained for <ei>r</ei> somewhat below unity, 
351 and currently <ei>r = 0.25</ei> is hardcoded.
352
353 In the generation a trial <ei>pT2</ei> is then selected according to
354 <eq>
355     d(Prob)/d(pT2) = (1/sigma_ND) * N/(pT^2 + r * pT0^2)^2 * ("Sudakov")
356 </eq>
357 For the trial <ei>pT2</ei>, a <ei>y_3</ei> and a <ei>y_4</ei> are then 
358 selected, and incoming flavours according to the respective 
359 <ei>F(x_i, pT2)</ei>, and then the cross section is evaluated for this 
360 flavour combination. The ratio of trial/upper estimate gives the 
361 probability of survival.
362
363 <p/>
364 Actually, to profit from the factor 1/2 mentioned above, the cross
365 section for the combination with <ei>y_3</ei> and <ei>y_4</ei> 
366 interchanged is also tried, which corresponds to exchanging <ei>tHat</ei>
367 and <ei>uHat</ei>, and the average formed, while the final kinematics 
368 is given by the relative importance of the two.
369
370 <p/>
371 Furthermore, since large <ei>y</ei> values are disfavoured by dropping 
372 PDF's, a factor 
373 <eq>
374    WT_y = (1 - (y_3/y_max)^2) * (1 - (y_4/y_max)^2) 
375 </eq>
376 is evaluated, and used as a survival probability before the more
377 time-consuming PDF+ME evaluation, with surviving events given a 
378 compensating weight <ei>1/WT_y</ei>. 
379
380 <p/>
381 An impact-parameter dependencs is also allowed. Based on the hard 
382 <ei>pT</ei> scale of the first interaction, and enhancement/depletion 
383 factor is picked, which multiplies the rate of subsequent interactions.
384
385 <p/>
386 Parton densities are rescaled and modified to take into account the 
387 energy-momentum and flavours kicked out by already-considered 
388 interactions.
389
390 </chapter>
391
392 <!-- Copyright (C) 2008 Torbjorn Sjostrand -->