PYTHIA8/pythia8145/src/FragmentationSystems.cxx

   1 // FragmentationSystems.cc is a part of the PYTHIA event generator.
   2 // Copyright (C) 2010 Torbjorn Sjostrand.
   3 // PYTHIA is licenced under the GNU GPL version 2, see COPYING for details.
   4 // Please respect the MCnet Guidelines, see GUIDELINES for details.
   5
   6 // Function definitions (not found in the header) for the
   7 // ColConfig, StringRegion and StringSystem classes.
   8
   9 #include "FragmentationSystems.h"
  10
  11 namespace Pythia8 {
  12
  13 //==========================================================================
  14
  15 // The ColConfig class.
  16
  17 //--------------------------------------------------------------------------
  18
  19 // Constants: could be changed here if desired, but normally should not.
  20 // These are of technical nature, as described for each.
  21
  22 // A typical u/d constituent mass.
  23 const double ColConfig::CONSTITUENTMASS = 0.325;
  24
  25 //--------------------------------------------------------------------------
  26
  27 // Initialize and save pointers.
  28
  29 void ColConfig::init(Info* infoPtrIn, Settings& settings,
  30   StringFlav* flavSelPtrIn) {
  31
  32   // Save pointers.
  33   infoPtr       = infoPtrIn;
  34   flavSelPtr    = flavSelPtrIn;
  35
  36   // Joining of nearby partons along the string.
  37   mJoin         = settings.parm("FragmentationSystems:mJoin");
  38
  39   // For consistency ensure that mJoin is bigger than in StringRegion.
  40   mJoin         = max( mJoin, 2. * StringRegion::MJOIN);
  41
  42   // Simplification of q q q junction topology to quark - diquark one.
  43   mJoinJunction = settings.parm("FragmentationSystems:mJoinJunction");
  44   mStringMin    = settings.parm("HadronLevel:mStringMin");
  45
  46 }
  47
  48 //--------------------------------------------------------------------------
  49
  50 // Insert a new colour singlet system in ascending mass order.
  51 // Calculate its properties. Join nearby partons.
  52
  53 bool ColConfig::insert( vector<int>& iPartonIn, Event& event) {
  54
  55   // Find momentum and invariant mass of system, minus endpoint masses.
  56   Vec4 pSumIn;
  57   double mSumIn = 0.;
  58   bool hasJunctionIn = false;
  59   for (int i = 0; i < int(iPartonIn.size()); ++i) {
  60     if (iPartonIn[i] < 0) {
  61       hasJunctionIn = true;
  62       continue;
  63     }
  64     pSumIn += event[ iPartonIn[i] ].p();
  65     if (!event[ iPartonIn[i] ].isGluon())
  66       mSumIn += event[ iPartonIn[i] ].constituentMass();
  67   }
  68   double massIn = pSumIn.mCalc();
  69   double massExcessIn = massIn - mSumIn;
  70
  71   // Check that momenta do not contain not-a-number.
  72   if (abs(massExcessIn) >= 0.);
  73   else {
  74     infoPtr->errorMsg("Error in ColConfig::insert: "
  75       "not-a-number system mass");
  76     return false;
  77   }
  78
  79   // Identify closed gluon loop. Assign "endpoint" masses as light quarks.
  80   bool isClosedIn = (iPartonIn[0] >= 0 && event[ iPartonIn[0] ].isGluon());
  81   if (isClosedIn) massExcessIn -= 2. * CONSTITUENTMASS;
  82
  83   // For junction topology: join two nearby legs into a diquark.
  84   if (hasJunctionIn && joinJunction( iPartonIn, event, massExcessIn))
  85     hasJunctionIn = false;
  86
  87   // Loop while > 2 partons left and hope of finding joining pair.
  88   bool hasJoined = true;
  89   while (hasJoined && iPartonIn.size() > 2) {
  90
  91     // Look for the pair of neighbour partons (along string) with
  92     // the smallest invariant mass (subtracting quark masses).
  93     int iJoinMin = -1;
  94     double mJoinMin = 2. * mJoin;
  95     int nSize = iPartonIn.size();
  96     int nPair = (isClosedIn) ? nSize : nSize - 1;
  97     for (int i = 0; i < nPair; ++i) {
  98       // Keep three legs of junction separate.
  99       if (iPartonIn[i] < 0 || iPartonIn[(i + 1)%nSize] < 0) continue;
 100       Particle& parton1 = event[ iPartonIn[i] ];
 101       Particle& parton2 = event[ iPartonIn[(i + 1)%nSize] ];
 102       Vec4 pSumNow;
 103       pSumNow += (parton1.isGluon()) ? 0.5 * parton1.p() : parton1.p();
 104       pSumNow += (parton2.isGluon()) ? 0.5 * parton2.p() : parton2.p();
 105       double mJoinNow = pSumNow.mCalc();
 106       if (!parton1.isGluon()) mJoinNow -= parton1.m();
 107       if (!parton2.isGluon()) mJoinNow -= parton2.m();
 108       if (mJoinNow < mJoinMin) { iJoinMin = i; mJoinMin = mJoinNow; }
 109     }
 110
 111     // If sufficiently nearby then join into one new parton.
 112     // Note: error sensitivity to mJoin indicates unstable precedure??
 113     hasJoined = false;
 114     if (mJoinMin < mJoin) {
 115       int iJoin1  = iPartonIn[iJoinMin];
 116       int iJoin2  = iPartonIn[(iJoinMin + 1)%nSize];
 117       int idNew   = (event[iJoin1].isGluon()) ? event[iJoin2].id()
 118                                               : event[iJoin1].id();
 119       int colNew  = event[iJoin1].col();
 120       int acolNew = event[iJoin2].acol();
 121       if (colNew == acolNew) {
 122         colNew    = event[iJoin2].col();
 123         acolNew   = event[iJoin1].acol();
 124       }
 125       Vec4 pNew   = event[iJoin1].p() + event[iJoin2].p();
 126
 127       // Append joined parton to event record.
 128       int iNew = event.append( idNew, 73, min(iJoin1, iJoin2),
 129         max(iJoin1, iJoin2), 0, 0, colNew, acolNew, pNew, pNew.mCalc() );
 130
 131       // Mark joined partons and reduce remaining system.
 132       event[iJoin1].statusNeg();
 133       event[iJoin2].statusNeg();
 134       event[iJoin1].daughter1(iNew);
 135       event[iJoin2].daughter1(iNew);
 136       if (iJoinMin == nSize - 1) iPartonIn[0] = iNew;
 137       else {
 138         iPartonIn[iJoinMin] = iNew;
 139         for (int i = iJoinMin + 1; i < nSize - 1; ++i)
 140           iPartonIn[i] = iPartonIn[i + 1];
 141       }
 142       iPartonIn.pop_back();
 143
 144       // If joined,then loopback to look for more.
 145       hasJoined = true;
 146     }
 147   }
 148
 149   // Store new colour singlet system at the end.
 150   singlets.push_back( ColSinglet(iPartonIn, pSumIn, massIn,
 151     massExcessIn, hasJunctionIn, isClosedIn) );
 152
 153   // Now move around, so that smallest mass excesses come first.
 154   int iInsert = singlets.size() - 1;
 155   for (int iSub = singlets.size() - 2; iSub >= 0; --iSub) {
 156     if (massExcessIn > singlets[iSub].massExcess) break;
 157     singlets[iSub + 1] = singlets[iSub];
 158     iInsert = iSub;
 159   }
 160   if (iInsert < int(singlets.size()) - 1) singlets[iInsert] =
 161     ColSinglet(iPartonIn, pSumIn, massIn, massExcessIn,
 162     hasJunctionIn, isClosedIn);
 163
 164   // Done.
 165   return true;
 166 }
 167
 168 //--------------------------------------------------------------------------
 169
 170 // Join two legs of junction to a diquark for small invariant masses.
 171 // Note: for junction system, iPartonIn points to structure
 172 // (-code0) g...g.q0 (-code1) g...g.q1 (-code2) g...g.q2
 173
 174 bool ColConfig::joinJunction( vector<int>& iPartonIn, Event& event,
 175   double massExcessIn) {
 176
 177   // Find four-momentum and endpoint quarks and masses on the three legs.
 178   Vec4   pLeg[3];
 179   double mLeg[3];
 180   int    idAbsLeg[3];
 181   int leg = -1;
 182   for (int i = 0; i < int(iPartonIn.size()); ++ i) {
 183     if (iPartonIn[i] < 0) ++leg;
 184     else {
 185       pLeg[leg]    += event[ iPartonIn[i] ].p();
 186       mLeg[leg]     = event[ iPartonIn[i] ].m();
 187       idAbsLeg[leg] = event[ iPartonIn[i] ].idAbs();
 188     }
 189   }
 190
 191   // Calculate invariant mass of three pairs, minus endpoint masses.
 192   double m01  = (pLeg[0] + pLeg[1]).mCalc() - mLeg[0] - mLeg[1];
 193   double m02  = (pLeg[0] + pLeg[2]).mCalc() - mLeg[0] - mLeg[2];
 194   double m12  = (pLeg[1] + pLeg[2]).mCalc() - mLeg[1] - mLeg[2];
 195
 196   // Find lowest-mass pair not involving diquark.
 197   double mMin = mJoinJunction + 1.;
 198   int    legA = -1;
 199   int    legB = -1;
 200   if (m01 < mMin && idAbsLeg[0] < 9 && idAbsLeg[1] < 9) {
 201     mMin = m01;
 202     legA = 0;
 203     legB = 1;
 204   }
 205   if (m02 < mMin && idAbsLeg[0] < 9 && idAbsLeg[2] < 9) {
 206     mMin = m02;
 207     legA = 0;
 208     legB = 2;
 209   }
 210   if (m12 < mMin && idAbsLeg[1] < 9 && idAbsLeg[2] < 9) {
 211     mMin = m12;
 212     legA = 1;
 213     legB = 2;
 214   }
 215   int legC = 3 - legA - legB;
 216
 217   // Nothing to do if no two legs have small invariant mass, and
 218   // system as a whole is above MiniStringFragmentation threshold.
 219   if (mMin > mJoinJunction && massExcessIn > mStringMin) return false;
 220
 221   // Construct separate index arrays for the three legs.
 222   vector<int> iLegA, iLegB, iLegC;
 223   leg = -1;
 224   for (int i = 0; i < int(iPartonIn.size()); ++ i) {
 225     if (iPartonIn[i] < 0) ++leg;
 226     else if( leg == legA) iLegA.push_back( iPartonIn[i] );
 227     else if( leg == legB) iLegB.push_back( iPartonIn[i] );
 228     else if( leg == legC) iLegC.push_back( iPartonIn[i] );
 229   }
 230
 231   // First step: successively combine any gluons on the two legs.
 232   // (Presumably overkill; not likely to be (m)any extra gluons.)
 233   // (Do as successive binary joinings, so only need two mothers.)
 234   for (leg = 0; leg < 2; ++leg) {
 235     vector<int>& iLegNow = (leg == 0) ? iLegA : iLegB;
 236     int sizeNow = iLegNow.size();
 237     for (int i = sizeNow - 2; i >= 0; --i) {
 238       int iQ = iLegNow.back();
 239       int iG = iLegNow[i];
 240       int colNew = (event[iQ].id() > 0) ? event[iG].col() : 0;
 241       int acolNew = (event[iQ].id() < 0) ? event[iG].acol() : 0;
 242       Vec4 pNew = event[iQ].p() + event[iG].p();
 243       int iNew = event.append( event[iQ].id(), 74, min(iQ, iG),
 244         max(iQ, iG), 0, 0, colNew, acolNew, pNew, pNew.mCalc() );
 245
 246       // Mark joined partons and update iLeg end.
 247       event[iQ].statusNeg();
 248       event[iG].statusNeg();
 249       event[iQ].daughter1(iNew);
 250       event[iG].daughter1(iNew);
 251       iLegNow.back() = iNew;
 252     }
 253   }
 254
 255   // Second step: combine two quarks into a diquark.
 256   int iQA     = iLegA.back();
 257   int iQB     = iLegB.back();
 258   int idQA    = event[iQA].id();
 259   int idQB    = event[iQB].id();
 260   int idNew   = flavSelPtr->makeDiquark( idQA, idQB );
 261   // Diquark colour is opposite to parton closest to junction on third leg.
 262   int colNew  = (idNew > 0) ? 0 : event[ iLegC[0] ].acol();
 263   int acolNew = (idNew > 0) ? event[ iLegC[0] ].col() : 0;
 264   Vec4 pNew   = pLeg[legA] + pLeg[legB];
 265   int iNew    = event.append( idNew, 74, min(iQA, iQB), max( iQA, iQB),
 266      0, 0, colNew, acolNew, pNew, pNew.mCalc() );
 267
 268   // Mark joined partons and reduce remaining system.
 269   event[iQA].statusNeg();
 270   event[iQB].statusNeg();
 271   event[iQA].daughter1(iNew);
 272   event[iQB].daughter1(iNew);
 273   iPartonIn.resize(0);
 274   iPartonIn.push_back( iNew);
 275   for (int i = 0; i < int(iLegC.size()) ; ++i)
 276     iPartonIn.push_back( iLegC[i]);
 277
 278   // Remove junction from event record list, identifying by colour.
 279   int iJun = -1;
 280   for (int i = 0; i < event.sizeJunction(); ++i)
 281     for (int j = 0; j < 3; ++ j)
 282       if ( event.colJunction(i,j) == max(colNew, acolNew) ) iJun = i;
 283   if (iJun >= 0) event.eraseJunction(iJun);
 284
 285   // Done, having eliminated junction.
 286   return true;
 287
 288 }
 289
 290 //--------------------------------------------------------------------------
 291
 292 // Collect all partons of singlet to be consecutively ordered.
 293
 294 void ColConfig::collect(int iSub, Event& event) {
 295
 296   // Partons may already have been collected, e.g. at ministring collapse.
 297   if (singlets[iSub].isCollected) return;
 298   singlets[iSub].isCollected = true;
 299
 300   // Check if partons already "by chance" happen to be ordered.
 301   bool inOrder = true;
 302   for (int i = 0; i < singlets[iSub].size() - 1; ++i) {
 303     int iFirst = singlets[iSub].iParton[i];
 304     if (iFirst < 0) continue;
 305     int iSecond = singlets[iSub].iParton[i + 1];
 306     if (iSecond < 0) iSecond = singlets[iSub].iParton[i + 2];
 307     if (iSecond != iFirst + 1) { inOrder = false; break;}
 308   }
 309   if (inOrder) return;
 310
 311   // Copy down system. Update current partons.
 312   for (int i = 0; i < singlets[iSub].size(); ++i) {
 313     int iOld = singlets[iSub].iParton[i];
 314     if (iOld < 0) continue;
 315     int iNew = event.copy(iOld, 71);
 316     singlets[iSub].iParton[i] = iNew;
 317   }
 318
 319   // Done.
 320 }
 321
 322 //--------------------------------------------------------------------------
 323
 324 // List all currently identified singlets.
 325
 326 void ColConfig::list(ostream& os) const {
 327
 328   // Header. Loop over all individual singlets.
 329   os << "\n --------  Colour Singlet Systems Listing -------------------\n";
 330   for (int iSub = 0; iSub < int(singlets.size()); ++iSub) {
 331
 332     // List all partons belonging to each singlet.
 333     os << " singlet " << iSub << " contains " ;
 334     for (int i = 0; i < singlets[iSub].size(); ++i)
 335       os << singlets[iSub].iParton[i] << " ";
 336     os << "\n";
 337
 338   // Done.
 339   }
 340 }
 341
 342 //==========================================================================
 343
 344 // The StringRegion class.
 345
 346 // Currently a number of simplifications, in particular ??
 347 // 1) No popcorn baryon production.
 348 // 2) Simplified treatment of pT in stepping and joining.
 349
 350 //--------------------------------------------------------------------------
 351
 352 // Constants: could be changed here if desired, but normally should not.
 353 // These are of technical nature, as described for each.
 354
 355 // If a string region is smaller thsan this it is assumed empty.
 356 const double StringRegion::MJOIN = 0.1;
 357
 358 // Avoid division by zero.
 359 const double StringRegion::TINY  = 1e-20;
 360
 361 //--------------------------------------------------------------------------
 362
 363 // Set up four-vectors for longitudinal and transverse directions.
 364
 365 void StringRegion::setUp(Vec4 p1, Vec4 p2, bool isMassless) {
 366
 367   // Simple case: the two incoming four-vectors guaranteed massless.
 368   if (isMassless) {
 369
 370     // Calculate w2, minimum value. Lightcone directions = input.
 371     w2 = 2. * (p1 * p2);
 372     if (w2 < MJOIN*MJOIN) {isSetUp = true; isEmpty = true; return;}
 373     pPos = p1;
 374     pNeg = p2;
 375
 376   // Else allow possibility of masses for incoming partons (also gluons!).
 377   } else {
 378
 379     // Generic four-momentum combinations.
 380     double m1Sq = p1 * p1;
 381     double m2Sq = p2 * p2;
 382     double p1p2 = p1 * p2;
 383     w2 = m1Sq + 2. * p1p2 + m2Sq;
 384     double rootSq = pow2(p1p2) - m1Sq * m2Sq;
 385
 386     // If crazy kinematics (should not happen!) modify energies.
 387     if (w2 <= 0. || rootSq <= 0.) {
 388       if (m1Sq < 0.) m1Sq = 0.;
 389       p1.e( sqrt(m1Sq + p1.pAbs2()) );
 390       if (m2Sq < 0.) m2Sq = 0.;
 391       p2.e( sqrt(m2Sq + p2.pAbs2()) );
 392       p1p2 = p1 * p2;
 393       w2 = m1Sq + 2. * p1p2 + m2Sq;
 394       rootSq = pow2(p1p2) - m1Sq * m2Sq;
 395     }
 396
 397     // If still small invariant mass then empty region (e.g. in gg system).
 398     if (w2 < MJOIN*MJOIN) {isSetUp = true; isEmpty = true; return;}
 399
 400     // Find two lightconelike longitudinal four-vector directions.
 401     double root = sqrt( max(TINY, rootSq) );
 402     double k1 = 0.5 * ( (m2Sq + p1p2) / root - 1.);
 403     double k2 = 0.5 * ( (m1Sq + p1p2) / root - 1.);
 404     pPos = (1. + k1) * p1 - k2 * p2;
 405     pNeg = (1. + k2) * p2 - k1 * p1;
 406   }
 407
 408   // Find two spacelike transverse four-vector directions.
 409   // Begin by picking two sensible trial directions.
 410   Vec4 eDiff = pPos / pPos.e() - pNeg / pNeg.e();
 411   double eDx = pow2( eDiff.px() );
 412   double eDy = pow2( eDiff.py() );
 413   double eDz = pow2( eDiff.pz() );
 414   if (eDx < min(eDy, eDz)) {
 415     eX = Vec4( 1., 0., 0., 0.);
 416     eY = (eDy < eDz) ? Vec4( 0., 1., 0., 0.) : Vec4( 0., 0., 1., 0.);
 417   } else if (eDy < eDz) {
 418     eX = Vec4( 0., 1., 0., 0.);
 419     eY = (eDx < eDz) ? Vec4( 1., 0., 0., 0.) : Vec4( 0., 0., 1., 0.);
 420   } else {
 421     eX = Vec4( 0., 0., 1., 0.);
 422     eY = (eDx < eDy) ? Vec4( 1., 0., 0., 0.) : Vec4( 0., 1., 0., 0.);
 423   }
 424
 425   // Then construct orthogonal linear combinations.
 426   double pPosNeg = pPos * pNeg;
 427   double kXPos = eX * pPos / pPosNeg;
 428   double kXNeg = eX * pNeg / pPosNeg;
 429   double kXX = 1. / sqrt( 1. + 2. * kXPos * kXNeg * pPosNeg );
 430   double kYPos = eY * pPos / pPosNeg;
 431   double kYNeg = eY * pNeg / pPosNeg;
 432   double kYX = kXX * (kXPos * kYNeg + kXNeg * kYPos) * pPosNeg;
 433   double kYY = 1. / sqrt(1. + 2. * kYPos * kYNeg * pPosNeg - pow2(kYX));
 434   eX = kXX * (eX - kXNeg * pPos - kXPos * pNeg);
 435   eY = kYY * (eY - kYNeg * pPos - kYPos * pNeg - kYX * eX);
 436
 437   // Done.
 438   isSetUp = true;
 439   isEmpty = false;
 440
 441 }
 442
 443 //--------------------------------------------------------------------------
 444
 445 // Project a four-momentum onto (x+, x-, px, py).
 446
 447 void StringRegion::project(Vec4 pIn) {
 448
 449   // Perform projections by four-vector multiplication.
 450   xPosProj = 2. * (pIn * pNeg) / w2;
 451   xNegProj = 2. * (pIn * pPos) / w2;
 452   pxProj = - (pIn * eX);
 453   pyProj = - (pIn * eY);
 454
 455 }
 456
 457 //==========================================================================
 458
 459 // The StringSystem class.
 460
 461 //--------------------------------------------------------------------------
 462
 463 // Set up system from parton list.
 464
 465 void StringSystem::setUp(vector<int>& iSys, Event& event) {
 466
 467   // Figure out how big the system is. (Closed gluon loops?)
 468   sizePartons = iSys.size();
 469   sizeStrings = sizePartons - 1;
 470   sizeRegions = (sizeStrings * (sizeStrings + 1)) / 2;
 471   indxReg = 2 * sizeStrings + 1;
 472   iMax = sizeStrings - 1;
 473
 474   // Reserve space for the required number of regions.
 475   system.clear();
 476   system.resize(sizeRegions);
 477
 478   // Set up the lowest-lying regions.
 479   for (int i = 0; i < sizeStrings; ++i) {
 480     Vec4 p1 = event[ iSys[i] ].p();
 481     if ( event[ iSys[i] ].isGluon() ) p1 *= 0.5;
 482     Vec4 p2 = event[ iSys[i+1] ].p();
 483     if ( event[ iSys[i+1] ].isGluon() ) p2 *= 0.5;
 484     system[ iReg(i, iMax - i) ].setUp( p1, p2, false);
 485   }
 486
 487 }
 488
 489 //==========================================================================
 490
 491 } // end namespace Pythia8