PYTHIA8/pythia8145/htmldoc/SemiInternalResonances.html

   1 <html>
   2 <head>
   3 <title>Semi-Internal Resonances</title>
   4 <link rel="stylesheet" type="text/css" href="pythia.css"/>
   5 <link rel="shortcut icon" href="pythia32.gif"/>
   6 </head>
   7 <body>
   8
   9 <h2>Semi-Internal Resonances</h2>
  10
  11 The introduction of a new <a href="SemiInternalProcesses.html" target="page">
  12 semi-internal process</a> may also involve a new particle,
  13 not currently implemented in PYTHIA. Often it is then enough to
  14 use the <a href="ParticleDataScheme.html" target="page">standard machinery</a>
  15 to introduce a new particle (<code>id:all = ...</code>) and new
  16 decay channels (<code>id:addChannel = ...</code>). By default this
  17 only allows you to define a fixed total width and fixed branching
  18 ratios. Using <code><a href="ResonanceDecays.html" target="page">meMode</a></code>
  19 values 100 or bigger provides the possibility of a very
  20 simple threshold behaviour.
  21
  22 <p/>
  23 If you want to have complete freedom, however, there are two
  24 ways to go. One is that you make the resonance decay part of the
  25 hard process itself, either using the
  26 <a href="LesHouchesAccord.html" target="page">Les Houches interface</a> or
  27 a semi-internal process. The other is for you to create a new
  28 <code>ResonanceWidths</code> object, where you write the code
  29 needed for a calculation of the partial width of a particular
  30 channel.
  31
  32 <p/>
  33 Here we will explain what is involved in setting up a resonance.
  34 Should you actually go ahead with this, it is strongly recommended
  35 to use an existing resonance as a template, to get the correct
  36 structure. There also exists a sample main program,
  37 <code>main26.cc</code>, that illustrates how you could combine
  38 a new process and a new resonance.
  39
  40 <p/>
  41 There are three steps involved in implementing a new resonance:
  42 <br/>1) providing the standard particle information, as already
  43 outlined above (<code>id:all = ...</code>,
  44 <code>id:addChannel = ...</code>), except that now branching
  45 ratios need not be specified, since they anyway will be overwritten
  46 by the dynamically calculated values.
  47 <br/>2) writing the class that calculates the partial widths.
  48 <br/>3) handing in a pointer to an instance of this class to PYTHIA.
  49 <br/>We consider the latter two aspects in turn.
  50
  51 <h3>The ResonanceWidths Class</h3>
  52
  53 The resonance-width calculation has to be encoded in a new class.
  54 The relevant code could either be put before the main program in the
  55 same file, or be stored separately, e.g. in a matched pair
  56 of <code>.h</code> and <code>.cc</code> files. The latter may be more
  57 convenient, in particular if the calculations are lengthy, or
  58 likely to be used in many different runs, but of course requires
  59 that these additional files are correctly compiled and linked.
  60
  61 <p/>
  62 The class has to be derived  from the <code>ResonanceWidths</code>
  63 base class. It can implement a number of methods. The constructor
  64 and the <code>calcWidth</code> ones are always needed, while others
  65 are for convenience. Much of the administrativ machinery is handled
  66 by methods in the base class.
  67
  68 <p/>Thus, in particular, you must implement expressions for all
  69 possible final states, whether switched on in the current run or not,
  70 since all contribute to the total width needed in the denominator of
  71 the Breit-Wigner expression. Then the methods in the base class take
  72 care of selecting only allowed channels where that is required, and
  73 also of including effects of closed channels in secondary decays.
  74 These methods can be accessed indirectly via the
  75 <code><a href="ResonanceDecays.html" target="page">res...</a></code>
  76 methods of the normal
  77 <code><a href="ParticleDataScheme.html" target="page">particle database</a></code>.
  78
  79 <p/>
  80 A <b>constructor</b> for the derived class obviously must be available.
  81 Here you are quite free to allow a list of arguments, to set
  82 the parameters of your model. The constructor must call the
  83 base-class <code>initBasic(idResIn)</code> method, where the argument
  84 <code>idResIn</code> is the PDG-style identity code you have chosen
  85 for the new resonance. When you create several related resonances
  86 as instances of the same class you would naturally make
  87 <code>idResIn</code> an argument of the constructor; for the
  88 PYTHIA classes this convention is used also in cases when it is
  89 not needed.
  90 <br/>The <code>initBasic(...)</code> method will
  91 hook up the <code>ResonanceWidths</code> object with the corresponding
  92 entry in the generic particle database, i.e. with the normal particle
  93 information you set up in point 1) above. It will store, in base-class
  94 member variables, a number of quantities that you later may find useful:
  95 <br/><code>idRes</code> : the identity code you provide;
  96 <br/><code>hasAntiRes</code> : whether there is an antiparticle;
  97 <br/><code>mRes</code> : resonance mass;
  98 <br/><code>GammaRes</code> resonance width;
  99 <br/><code>m2Res</code> : the squared mass;
 100 <br/><code>GamMRat</code> : the ratio of width to mass.
 101
 102 <p/>
 103 A <b>destructor</b> is only needed if you plan to delete the resonance
 104 before the natural end of the run, and require some special behaviour
 105 at that point. If you call such a destructor you will leave a pointer
 106 dangling inside the <code>Pythia</code> object you gave it in to,
 107 if that still exists.
 108
 109 <a name="method1"></a>
 110 <p/><strong>void ResonanceWidths::initConstants() &nbsp;</strong> <br/>
 111 is called once during initialization, and can then be used to set up
 112 further parameters specific to this particle species, such as couplings,
 113 and perform calculations that need not be repeated for each new event,
 114 thereby saving time. This method needs not be implemented.
 115
 116
 117 <a name="method2"></a>
 118 <p/><strong>void ResonanceWidths::calcPreFac(bool calledFromInit = false) &nbsp;</strong> <br/>
 119 is called once a mass has been chosen for the resonance, but before
 120 a specific final state is considered. This routine can therefore
 121 be used to perform calculations that otherwise might have to be repeated
 122 over and over again in <code>calcWidth</code> below. It is optional
 123 whether you want to use this method, however, or put
 124 everything in <code>calcWidth()</code>.
 125 <br/>The optional argument will have the value <code>true</code> when
 126 the resonance is initialized, and then be <code>false</code> throughout
 127 the event generation, should you wish to make a distinction.
 128 In PYTHIA such a distinction is made for <i>gamma^*/Z^0</i> and
 129 <i>gamma^*/Z^0/Z'^0</i>, owing to the necessity of a special
 130 description of interference effects, but not for other resonances.
 131 <br/>In addition to the base-class member variables already described
 132 above, <code>mHat</code> contains the current mass of the resonance.
 133 At initialization this agrees with the nominal mass <code>mRes</code>,
 134 but during the run it will not (in general).
 135
 136
 137 <a name="method3"></a>
 138 <p/><strong>void ResonanceWidths::calcWidth(bool calledFromInit = false) &nbsp;</strong> <br/>
 139 is the key method for width calculations and returns a partial width
 140 value, as further described below. It is called for a specific
 141 final state, typically in a loop over all allowed final states,
 142 subsequent to the <code>calcPreFac(...)</code> call above.
 143 Information on the final state is stored in a number of base-class
 144 variables, for you to use in your calculations:
 145 <br/><code>iChannel</code> : the channel number in the list of
 146 possible decay channels;
 147 <br/><code>mult</code> : the number of decay products;
 148 <br/><code>id1, id2, id3</code> : the identity code of up to the first
 149 three decay products, arranged in descending order of the absolute value
 150 of the identity code;
 151 <br/><code>id1Abs, id2Abs, id3Abs</code> : the absolute value of the
 152 above three identity codes;
 153 <br/><code>mHat</code> : the current resonance mass, which is the same
 154 as in the latest <code>calcPreFac(...)</code> call;
 155 <br/><code>mf1, mf2, mf3</code> : masses of the above decay products;
 156 <br/><code>mr1, mr2, mr3</code> : squared ratio of the product masses
 157 to the resonance mass;
 158 <br/><code>ps</code> : is only meaningful for two-body decays, where it
 159 gives the phase-space factor
 160 <i>ps = sqrt( (1. - mr1 - mr2)^2 - 4. * mr1 * mr2 )</i>;
 161 <br/>In two-body decays the third slot is zero for the above properties.
 162 Should there be more than three particles in the decay, you would have
 163 to take care of the subsequent products yourself, e.g. using
 164 <br/><code>particlePtr->decay[iChannel].product(j);</code>
 165 <br/>to extract the <code>j</code>'th decay products (with
 166 <code>j = 0</code> for the first, etc.). Currently we are not aware
 167 of any such examples.
 168 <br/>The base class also contains methods for <i>alpha_em</i> and
 169 <i>alpha_strong</i> evaluation, and can access many standard-model
 170 couplings; see the existing code for examples.
 171 <br/>The result of your calculation should be stored in
 172 <br/><code>widNow</code> : the partial width of the current channel,
 173 expressed in GeV.
 174
 175
 176 <a name="method4"></a>
 177 <p/><strong>double ResonanceWidths::widthChan( double mHat, int idAbs1, int idAbs2) &nbsp;</strong> <br/>
 178 is not normally used. In PYTHIA the only exception is Higgs decays,
 179 where it is used to define the width (except for colour factors)
 180 associated with a specific incoming/outgoing state. It allows the
 181 results of some loop expressions to be pretabulated.
 182
 183
 184 <h3>Access to resonance widths</h3>
 185
 186 Once you have implemented a class, it is straightforward to
 187 make use of it in a run. Assume you have written a new class
 188 <code>MyResonance</code>, which inherits from
 189 <code>ResonanceWidths</code>. You then create an instance of
 190 this class and hand it in to a <code>pythia</code> object with
 191 <pre>
 192       ResonanceWidths* myResonance = new MyResonance();
 193       pythia.setResonancePtr( myResonance);
 194 </pre>
 195 If you have several resonances you can repeat the procedure any number
 196 of times. When <code>pythia.init(...)</code> is called these resonances
 197 are initialized along with all the internal resonances, and treated in
 198 exactly the same manner. See also the <a href="ProgramFlow.html" target="page">Program
 199 Flow</a>
 200 description.
 201
 202 <p/>
 203 If the code should be of good quality and general usefulness,
 204 it would be simple to include it as a permanently available process
 205 in the standard program distribution. The final step of that integration
 206 ought to be left for the PYTHIA authors, but basically all that is
 207 needed is to add one line in
 208 <code>ParticleData::initResonances</code>, where one creates an
 209 instance of the resonance in the same way as for the resonances already
 210 there. In addition, the particle data and decay table for the new
 211 resonance has to be added to the permanent
 212 <a href="ParticleData.html" target="page">particle database</a>, and the code itself
 213 to <code>include/ResonanceWidths.h</code> and
 214 <code>src/ResonanceWidths.cc</code>.
 215
 216 </body>
 217 </html>
 218
 219 <!-- Copyright (C) 2010 Torbjorn Sjostrand -->