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1 <chapter name="Standard-Model Parameters">
2
3 <h2>Standard-Model Parameters</h2>
4
5 <h3>The strong coupling</h3> 
6
7 The <code>AlphaStrong</code> class is used to provide a first- or 
8 second-order running <ei>alpha_strong</ei> (or, trivially, a 
9 zeroth-order fixed one). Formulae are the standard ones found in 
10 <ref>Yao06</ref>. The second-order expression used, eq. (9.5),
11 may be somewhat different in other approaches (with differences
12 formally of higher order), so do not necessarily expect perfect
13 agreement, especially not at small <ei>Q^2</ei> scales. The starting 
14 <ei>alpha_strong</ei> value is defined at the <ei>M_Z</ei> mass scale.
15 The <ei>Lambda</ei> values are matched at the <ei>b</ei> and <ei>c</ei> 
16 flavour thresholds, such that <ei>alpha_strong</ei> is continuous.
17 For second-order matching an approximate iterative method is used.
18  
19 <p/>
20 Since we allow <ei>alpha_strong</ei> to vary separately for 
21 hard processes, timelike showers, spacelike showers and  multiple 
22 interactions, the relevant values can be set in each of these classes. 
23 The default behaviour is everywhere first-order running.
24  
25 <p/>
26 The <ei>alpha_strong</ei> calculation is initialized by 
27 <code>init( value, order)</code>, where <code>value</code> 
28 is the <ei>alpha_strong</ei> value at <ei>M_Z</ei> and <code>order</code> 
29 is the order of the running, 0, 1 or 2.   Thereafter the value can be 
30 calculated by <code>alphaS(scale2)</code>, where 
31 <code>scale2</code> is the <ei>Q^2</ei> scale in GeV^2. 
32
33 <p/>
34 For applications inside shower programs, a second-order <code>alpha_s</code> 
35 value can be obtained as the product of the two functions 
36 <code>alphaS1Ord(scale2)</code> and <code>alphaS2OrdCorr(scale2)</code>, 
37 where the first gives a simple first-order running (but with the 
38 second-order <ei>Lambda</ei>) and the second the correction factor, 
39 below unity, for the second-order terms. This allows a compact handling 
40 of evolution equations.
41
42 <h3>The electromagnetic coupling</h3> 
43
44 The <code>AlphaEM</code> class is used to generate a running
45 <ei>alpha_em</ei>. The input <code>StandardModel:alphaEMmZ</code>
46 value at the <ei>M_Z</ei> mass is matched to a low-energy behaviour
47 with running starting at the electron mass threshold. The matching
48 is done by fitting an effective running coefficient in the region
49 betweeen the light-quark treshold and the charm/tau threshold. This
50 procedure is approximate, but good enough for our purposes. 
51
52 <p/>
53 Since we allow <ei>alpha_em</ei> to vary separately for 
54 hard processes, timelike showers, spacelike showers and  multiple 
55 interactions, the choice between using a fixed or a running 
56 <ei>alpha_em</ei> can be made in each of these classes. 
57 The default behaviour is everywhere first-order running.
58 The actual values assumed at zero momentum transfer and 
59 at <ei>M_Z</ei> are only set here, however. 
60
61 <parm name="StandardModel:alphaEM0" default="0.00729735"
62 min="0.0072973" max="0.0072974">
63 The <ei>alpha_em</ei> value at vanishing momentum transfer
64 (and also below <ei>m_e</ei>). 
65 </parm>
66
67 <parm name="StandardModel:alphaEMmZ" default="0.00781751"
68 min="0.00780" max="0.00783">
69 The <ei>alpha_em</ei> value at the <ei>M_Z</ei> mass scale. 
70 Default is taken from <ref>Yao06</ref>.
71 </parm>
72
73 <p/>
74 The <ei>alpha_em</ei> calculation is initialized by 
75 <code>init(order)</code>, where <code>order</code> is the order of 
76 the running, 0 or 1, with -1 a special option to use the fix value
77 provided at <ei>M_Z</ei>.   Thereafter the value can be 
78 calculated by <code>alphaEM(scale2)</code>, where 
79 <code>scale2</code> is the <ei>Q^2</ei> scale in GeV^2. 
80
81 <h3>The electroweak couplings</h3> 
82
83 There are two degrees of freedom that can be set, related to the 
84 electroweak mixing angle:
85
86 <parm name="StandardModel:sin2thetaW" default="0.2312" 
87 min="0.225" max="0.240">
88 The sine-squared of the weak mixing angle, as used in all <ei>Z^0</ei> 
89 and <ei>W^+-</ei> masses and couplings, except for the vector couplings 
90 of fermions to the <ei>Z^0</ei>, see below. Default is the MSbar value 
91 from <ref>Yao06</ref>.
92 </parm>
93
94 <parm name="StandardModel:sin2thetaWbar" default="0.2315" min="0.225" max="0.240">
95 The sine-squared of the weak mixing angle, as used to derive the vector 
96 couplings of fermions to the <ei>Z^0</ei>, in the relation 
97 <ei>v_f = a_f - 4 e_f sin^2(theta_W)bar</ei>. Default is the
98 effective-angle value from <ref>Yao06</ref>.
99 </parm>
100
101 <h3>The quark weak-mixing matrix</h3>
102
103 The absolute values of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix elements are 
104 set by the following nine real values taken from <ref>Yao06</ref> - 
105 currently the CP-violating phase is not taken into account in this 
106 parametrization. It is up to the user to pick a consistent unitary 
107 set of new values whenever changes are made.  
108
109 <parm name="StandardModel:Vud" default="0.97383" min="0.973" max="0.975">
110 The <ei>V_ud</ei> CKM matrix element.
111 </parm>
112
113 <parm name="StandardModel:Vus" default="0.2272" min="0.224" max="0.230">
114 The <ei>V_us</ei> CKM matrix element.
115 </parm>
116
117 <parm name="StandardModel:Vub" default="0.00396" min="0.0037" max="0.0042">
118 The <ei>V_ub</ei> CKM matrix element.
119 </parm>
120
121 <parm name="StandardModel:Vcd" default="0.2271" min="0.224" max="0.230">
122 The <ei>V_cd</ei> CKM matrix element.
123 </parm>
124
125 <parm name="StandardModel:Vcs" default="0.97296" min="0.972" max="0.974">
126 The <ei>V_cs</ei> CKM matrix element.
127 </parm>
128
129 <parm name="StandardModel:Vcb" default="0.04221" min="0.0418" max="0.0426">
130 The <ei>V_cb</ei> CKM matrix element.
131 </parm>
132
133 <parm name="StandardModel:Vtd" default="0.00814" min="0.006" max="0.010">
134 The <ei>V_td</ei> CKM matrix element.
135 </parm>
136
137 <parm name="StandardModel:Vts" default="0.04161" min="0.039" max="0.043">
138 The <ei>V_ts</ei> CKM matrix element.
139 </parm>
140
141 <parm name="StandardModel:Vtb" default="0.9991" min="0.99907" max="0.9992">
142 The <ei>V_tb</ei> CKM matrix element.
143 </parm>
144
145 <h3>The CoupSM class</h3> 
146
147 The <code><aloc href="ProgramFlow">Pythia</aloc></code> class contains a
148 public instance <code>coupSM</code> of the <code>CoupSM</code> class.
149 This class contains one instance each of the <code>AlphaStrong</code>    
150 and <code>AlphaEM</code> classes, and additionally stores the weak couplings
151 and the quark mixing matrix mentioned above. This class is used especially
152 in the calculation of cross sections and resonance widths, but could also
153 be used elsewhere. Specifically, as already mentioned, there are separate 
154 <code>AlphaStrong</code> and <code>AlphaEM</code> instances for timelike 
155 and spacelike showers and for multiple interactions, while weak couplings 
156 and the quark mixing matrix are only stored here. With the exception of the 
157 first two methods below, which are for internal use, the subsequent ones
158 could also be used externally.
159
160 <method name="CoupSM::CoupSM()"> 
161 the constructor does nothing. Internal.
162 </method>
163
164 <method name="void CoupSM::init(Settings& settings, Rndm* rndmPtr)">
165 this is where the <code>AlphaStrong</code> and <code>AlphaEM</code>
166 instances are initialized, and weak couplings and the quark mixing matrix
167 are read in and set. This is based on the values stored on this page and
168 among the <aloc href="CouplingsAndScales">Couplings and Scales</aloc>. 
169 Internal.
170 </method>
171
172 <method name="double CoupSM::alphaS(double scale2)"> 
173 the <ei>alpha_strong</ei> value at the quadratic scale <code>scale2</code>.
174 </method>
175
176 <method name="double CoupSM::alphaS1Ord(double scale2)"> 
177 a first-order overestimate of the full second-order <ei>alpha_strong</ei> 
178 value at the quadratic scale <code>scale2</code>.
179 </method>
180
181 <method name="double CoupSM::alphaS2OrdCorr(double scale2)"> 
182 a multiplicative correction factor, below unity, that brings the 
183 first-order overestimate above into agreement with the full second-order
184 <ei>alpha_strong</ei> value at the quadratic scale <code>scale2</code>.
185 </method>
186
187 <method name="double CoupSM::Lambda3()"> 
188 </method>
189 <methodmore name="double CoupSM::Lambda4()"> 
190 </methodmore>
191 <methodmore name="double CoupSM::Lambda5()"> 
192 the three-, four-, and five-flavour <ei>Lambda</ei> scale.
193 </methodmore>
194
195 <method name="double CoupSM::alphaEM(double scale2)"> 
196 the <ei>alpha_em</ei> value at the quadratic scale <code>scale2</code>.
197 </method>
198
199 <method name="double CoupSM::sin2thetaW()"> 
200 </method>
201 <methodmore name="double CoupSM::cos2thetaW()"> 
202 the sine-squared and cosine-squared of the weak mixing angle, as used in 
203 the gauge-boson sector.
204 </methodmore>
205
206 <method name="double CoupSM::sin2thetaWbar()"> 
207 the sine-squared of the weak mixing angle, as used to derive the vector 
208 couplings of fermions to the <ei>Z^0</ei>.
209 </method>
210
211 <method name="double CoupSM::ef(int idAbs)"> 
212 the electrical charge of a fermion, by the absolute sign of the PDF code,
213 i.e. <code>idAbs</code> must be in the range between 1 and 18.
214 </method>
215
216 <method name="double CoupSM::vf(int idAbs)"> 
217 </method>
218 <methodmore name="double CoupSM::af(int idAbs)"> 
219 the vector and axial charges of a fermion, by the absolute sign of the PDF 
220 code (<ei>a_f = +-1, v_f = a_f - 4. * sin2thetaWbar * e_f</ei>).
221 </methodmore>
222
223 <method name="double CoupSM::t3f(int idAbs)"> 
224 </method>
225 <methodmore name="double CoupSM::lf(int idAbs)"> 
226 </methodmore>
227 <methodmore name="double CoupSM::rf(int idAbs)"> 
228 the weak isospin, left- and righthanded charges of a fermion, by the 
229 absolute sign of the PDF code (<ei>t^3_f = a_f/2, l_f = (v_f + a_f)/2,
230 r_f = (v_f - a_f)/2</ei>; you may find other conventions in the literature
231 that differ by a factor of 2).
232 </methodmore>
233
234 <method name="double CoupSM::ef2(int idAbs)"> 
235 </method>
236 <methodmore name="double CoupSM::vf2(int idAbs)"> 
237 </methodmore>
238 <methodmore name="double CoupSM::af2(int idAbs)"> 
239 </methodmore>
240 <methodmore name="double CoupSM::efvf(int idAbs)"> 
241 </methodmore>
242 <methodmore name="double CoupSM::vf2af2(int idAbs)"> 
243 common quadratic combinations of the above couplings:
244 <ei>e_f^2, v_f^2, a_f^2, e_f * v_f, v_f^2 + a_f^2</ei>.
245 </methodmore>
246
247 <method name="double CoupSM::VCKMgen(int genU, int genD)">
248 </method>
249 <methodmore name="double CoupSM::V2CKMgen(int genU, int genD)">
250 the CKM mixing element,or the square of it, for
251 up-type generation index <code>genU</code> 
252 (<ei>1 = u, 2 = c, 3 = t, 4 = t'</ei>) and
253 down-type generation index <code>genD</code>
254 (<ei>1 = d, 2 = s, 3 = b, 4 = b'</ei>).
255 </methodmore>
256
257 <method name="double CoupSM::VCKMid(int id1, int id2)">
258 </method>
259 <methodmore name="double CoupSM::V2CKMid(int id1, int id2)">
260 the CKM mixing element,or the square of it, for
261 flavours <code>id1</code> and <code>id2</code>, both in the 
262 range from <ei>-18</ei> to <ei>+18</ei>. The sign is here not 
263 checked (so it can be used both for <ei>u + dbar -> W+</ei>
264 and <ei>u -> d + W+</ei>, say), but impossible flavour combinations
265 evaluate to zero. The neutrino sector is numbered by flavor
266 eigenstates, so there is no mixing in the lepton-neutrino system. 
267 </methodmore>
268
269 <method name="double CoupSM::V2CKMsum(int id)">
270 the sum of squared CKM mixing element that a given flavour can couple to, 
271 excluding the top quark and fourth generation. Is close to unity
272 for the first two generations. Returns unity for the lepton-neutrino
273 sector. 
274 </method>
275
276 <method name="int CoupSM::V2CKMpick(int id)">
277 picks a random CKM partner quark or lepton (with the same sign as 
278 <code>id</code>) according to the respective squared elements, again 
279 excluding the top quark and fourth generation from the list of 
280 possibilities. Unambiguous choice for the lepton-neutrino sector. 
281 </method>
282
283 </chapter>
284
285 <!-- Copyright (C) 2010 Torbjorn Sjostrand -->