]> git.uio.no Git - u/mrichter/AliRoot.git/blob - PYTHIA8/pythia8145/xmldoc/SpacelikeShowers.xml
New pythia8 version
[u/mrichter/AliRoot.git] / PYTHIA8 / pythia8145 / xmldoc / SpacelikeShowers.xml
1 <chapter name="Spacelike Showers">
2
3 <h2>Spacelike Showers</h2>
4
5 The PYTHIA algorithm for spacelike initial-state showers is 
6 based on the article <ref>Sjo05</ref>, where a 
7 transverse-momentum-ordered backwards evolution scheme is introduced, 
8 with the extension to fully interleaved evolution covered in 
9 <ref>Cor10a</ref>. 
10 This algorithm is a further development of the virtuality-ordered one 
11 presented in <ref>Sj085</ref>, with matching to first-order matrix 
12 element for <ei>Z^0</ei>, <ei>W^+-</ei> and Higgs (in the 
13 <ei>m_t -> infinity</ei> limit) production as introduced in 
14 <ref>Miu99</ref>. 
15
16 <p/>
17 The normal user is not expected to call <code>SpaceShower</code> 
18 directly, but only have it called from <code>Pythia</code>, 
19 via <code>PartonLevel</code>. Some of the parameters below, 
20 in particular <code>SpaceShower:alphaSvalue</code>, 
21 would be of interest for a tuning exercise, however. 
22
23 <h3>Main variables</h3>
24
25 The maximum <ei>pT</ei> to be allowed in the shower evolution 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
34 <modepick name="SpaceShower:pTmaxMatch" default="0" min="0" max="2">
35 Way in which the maximum shower evolution scale is set to match the 
36 scale of the hard process itself.
37 <option value="0"><b>(i)</b> if the final state of the hard process 
38 (not counting subsequent resonance decays) contains at least one quark 
39 (<ei>u, d, s, c ,b</ei>), gluon or photon then <ei>pT_max</ei> 
40 is chosen to be the factorization scale for internal processes 
41 and the <code>scale</code> value for Les Houches input; 
42 <b>(ii)</b> if not, emissions are allowed to go all the way up to 
43 the kinematical limit. 
44 The reasoning is that in the former set of processes the ISR
45 emission of yet another quark, gluon or photon could lead to
46 doublecounting, 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 emissions that ought to have been simulated.
52 (Also known as wimpy showers.)
53 </option>
54 <option value="2">always allow emissions up to the kinematical limit.
55 This will simulate all possible event topologies, but may lead to
56 doublecounting. 
57 (Also known as power showers.)
58 </option>
59 <note>Note 1:</note> These options only apply to the hard interaction.
60 Emissions off subsequent multiple interactions are always constrainted
61 to be below the factorization scale of the process itself.  
62 <note>Note 2:</note> Some processes contain matrix-element matching
63 to the first emission; this is the case notably for single 
64 <ei>gamma^*/Z^0, W^+-</ei> and <ei>H^0</ei> production. Then default
65 and option 2 give the correct result, while option 1 should never
66 be used. 
67 </modepick>
68
69 <parm name="SpaceShower:pTmaxFudge" default="1.0" min="0.25" max="2.0">
70 In cases where the above <code>pTmaxMatch</code> rules would imply
71 that <ei>pT_max = pT_factorization</ei>, <code>pTmaxFudge</code> 
72 introduces a multiplicative factor <ei>f</ei> such that instead
73 <ei>pT_max = f * pT_factorization</ei>. Only applies to the hardest
74 interaction in an event, cf. below. It is strongly suggested that 
75 <ei>f = 1</ei>, but variations around this default can be useful to 
76 test this assumption. 
77 </parm>
78
79 <parm name="SpaceShower:pTmaxFudgeMI" default="1.0" min="0.25" max="2.0">
80 A multiplicative factor <ei>f</ei> such that 
81 <ei>pT_max = f * pT_factorization</ei>, as above, but here for the
82 non-hardest interactions (when multiple interactions are allowed).
83 </parm>
84
85 <modepick name="SpaceShower:pTdampMatch" default="0" min="0" max="2">
86 These options only take effect when a process is allowed to radiate up 
87 to the kinematical limit by the above <code>pTmaxMatch</code> choice, 
88 and no matrix-element corrections are available. Then, in many processes,
89 the fall-off in <ei>pT</ei> will be too slow by one factor of <ei>pT^2</ei>. 
90 That is, while showers have an approximate <ei>dpT^2/pT^2</ei> shape, often 
91 it should become more like <ei>dpT^2/pT^4</ei> at <ei>pT</ei> values above
92 the scale of the hard process. Whether this actually is the case 
93 depends on the particular process studied, e.g. if <ei>t</ei>-channel 
94 gluon exchange is likely to dominate. If so, the options below could
95 provide a reasonable high-<ei>pT</ei> behaviour without requiring 
96 higher-order calculations. 
97 <option value="0">emissions go up to the kinematical limit, 
98 with no special dampening.
99 </option>
100 <option value="1">emissions go up to the kinematical limit,  
101 but dampened by a factor <ei>k^2 Q^2_fac/(pT^2 + k^2 Q^2_fac)</ei>, 
102 where <ei>Q_fac</ei> is the factorization scale and <ei>k</ei> is a 
103 multiplicative fudge factor stored in <code>pTdampFudge</code> below.
104 </option>
105 <option value="2">emissions go up to the kinematical limit, 
106 but dampened by a factor <ei>k^2 Q^2_ren/(pT^2 + k^2 Q^2_ren)</ei>, 
107 where <ei>Q_ren</ei> is the renormalization scale and <ei>k</ei> is a 
108 multiplicative fudge factor stored in <code>pTdampFudge</code> below. 
109 </option>
110 <note>Note:</note> These options only apply to the hard interaction.
111 Emissions off subsequent multiple interactions are always constrainted
112 to be below the factorization scale of the process itself.  
113 </modepick>
114
115 <parm name="SpaceShower:pTdampFudge" default="1.0" min="0.25" max="4.0">
116 In cases 1 and 2 above, where a dampening is imposed at around the
117 factorization or renormalization scale, respectively, this allows the
118 <ei>pT</ei> scale of dampening of radiation by a half to be shifted 
119 by this factor relative to the default <ei>Q_fac</ei> or <ei>Q_ren</ei>. 
120 This number ought to be in the neighbourhood of unity, but variations 
121 away from this value could do better in some processes.
122 </parm>
123
124 <p/>
125 The amount of QCD radiation in the shower is determined by 
126 <parm name="SpaceShower:alphaSvalue" default="0.137" min="0.06" max="0.25">
127 The <ei>alpha_strong</ei> value at scale <code>M_Z^2</code>. 
128 Default value is picked equal to the one used in CTEQ 5L.  
129 </parm>
130
131 <p/>
132 The actual value is then regulated by the running to the scale 
133 <ei>pT^2</ei>, at which it is evaluated
134 <modepick name="SpaceShower:alphaSorder" default="1" min="0" max="2">
135 Order at which <ei>alpha_strong</ei> runs,
136 <option value="0">zeroth order, i.e. <ei>alpha_strong</ei> is kept 
137 fixed.</option>
138 <option value="1">first order, which is the normal value.</option>
139 <option value="2">second order. Since other parts of the code do 
140 not go to second order there is no strong reason to use this option, 
141 but there is also nothing wrong with it.</option>
142 </modepick>
143
144 <p/>
145 QED radiation is regulated by the <ei>alpha_electromagnetic</ei>
146 value at the <ei>pT^2</ei> scale of a branching.
147  
148 <modepick name="SpaceShower:alphaEMorder" default="1" min="-1" max="1">
149 The running of <ei>alpha_em</ei>.
150 <option value="1">first-order running, constrained to agree with
151 <code>StandardModel:alphaEMmZ</code> at the <ei>Z^0</ei> mass.
152 </option>
153 <option value="0">zeroth order, i.e. <ei>alpha_em</ei> is kept 
154 fixed at its value at vanishing momentum transfer.</option>
155 <option value="-1">zeroth order, i.e. <ei>alpha_em</ei> is kept 
156 fixed, but at <code>StandardModel:alphaEMmZ</code>, i.e. its value
157 at the <ei>Z^0</ei> mass.
158 </option> 
159 </modepick>
160
161 <p/>
162 There are two complementary ways of regularizing the small-<ei>pT</ei> 
163 divergence, a sharp cutoff and a smooth dampening. These can be 
164 combined as desired but it makes sense to coordinate with how the 
165 same issue is handled in multiple interactions.
166
167 <flag name="SpaceShower:samePTasMI" default="off">
168 Regularize the <ei>pT -> 0</ei> divergence using the same sharp cutoff 
169 and smooth dampening parameters as used to describe multiple interactions.
170 That is, the <code>MultipleInteractions:pT0Ref</code>, 
171 <code>MultipleInteractions:ecmRef</code>, 
172 <code>MultipleInteractions:ecmPow</code> and 
173 <code>MultipleInteractions:pTmin</code> parameters are used to regularize 
174 all ISR QCD radiation, rather than the corresponding parameters below. 
175 This is a sensible physics ansatz, based on the assumption that colour 
176 screening effects influence both MI and ISR in the same way. Photon 
177 radiation is regularized separately in either case.
178 <note>Warning:</note> if a large <code>pT0</code> is picked for multiple 
179 interactions, such that the integrated interaction cross section is 
180 below the nondiffractive inelastic one, this <code>pT0</code> will 
181 automatically be scaled down to cope. Information on such a rescaling 
182 does NOT propagate to <code>SpaceShower</code>, however.
183 </flag> 
184
185 <p/>
186 The actual <code>pT0</code> parameter used at a given CM energy scale, 
187 <ei>ecmNow</ei>, is obtained as
188 <eq>
189     pT0 = pT0(ecmNow) = pT0Ref * (ecmNow / ecmRef)^ecmPow 
190 </eq>
191 where <ei>pT0Ref</ei>, <ei>ecmRef</ei> and <ei>ecmPow</ei> are the 
192 three parameters below.
193
194 <parm name="SpaceShower:pT0Ref" default="2.0" 
195 min="0.5" max="10.0">
196 Regularization of the divergence of the QCD emission probability for 
197 <ei>pT -> 0</ei> is obtained by a factor <ei>pT^2 / (pT0^2 + pT^2)</ei>, 
198 and by using an <ei>alpha_s(pT0^2 + pT^2)</ei>. An energy dependence 
199 of the <ei>pT0</ei> choice is introduced by the next two parameters, 
200 so that <ei>pT0Ref</ei> is the <ei>pT0</ei> value for the reference 
201 cm energy, <ei>pT0Ref = pT0(ecmRef)</ei>.   
202 </parm>
203
204 <parm name="SpaceShower:ecmRef" default="1800.0" min="1.">
205 The <ei>ecmRef</ei> reference energy scale introduced above.
206 </parm>
207
208 <parm name="SpaceShower:ecmPow" default="0.0" min="0." max="0.5">
209 The <ei>ecmPow</ei> energy rescaling pace introduced above.
210 </parm>
211
212 <parm name="SpaceShower:pTmin" default="0.2" 
213 min="0.1" max="10.0">
214 Lower cutoff in <ei>pT</ei>, below which no further ISR branchings 
215 are allowed. Normally the <ei>pT0</ei> above would be used to 
216 provide the main regularization of the branching rate for 
217 <ei>pT -> 0</ei>, in which case <ei>pTmin</ei> is used  mainly for 
218 technical reasons. It is possible, however, to set <ei>pT0Ref = 0</ei> 
219 and use <ei>pTmin</ei> to provide a step-function regularization, 
220 or to combine them in intermediate approaches. Currently <ei>pTmin</ei> 
221 is taken to be energy-independent.  
222 </parm>
223
224 <parm name="SpaceShower:pTminChgQ" default="0.5" min="0.01">
225 Parton shower cut-off <ei>pT</ei> for photon coupling to a coloured 
226 particle.
227 </parm>
228
229 <parm name="SpaceShower:pTminChgL" default="0.0005" min="0.0001">
230 Parton shower cut-off mass for pure QED branchings. 
231 Assumed smaller than (or equal to) <ei>pTminChgQ</ei>.
232 </parm>
233
234 <flag name="SpaceShower:rapidityOrder" default="off">
235 Force emissions, after the first,  to be ordered in rapidity,
236 i.e. in terms of decreasing angles in a backwards-evolution sense. 
237 Could be used to probe sensitivity to unordered emissions.
238 Only affects QCD emissions.
239 </flag>
240
241 <h3>Further variables</h3>
242
243 These should normally not be touched. Their only function is for
244 cross-checks.
245
246 <p/>
247 There are three flags you can use to switch on or off selected
248 branchings in the shower: 
249
250 <flag name="SpaceShower:QCDshower" default="on">
251 Allow a QCD shower; on/off = true/false.
252 </flag>
253
254 <flag name="SpaceShower:QEDshowerByQ" default="on">
255 Allow quarks to radiate photons; on/off = true/false.
256 </flag>
257
258 <flag name="SpaceShower:QEDshowerByL" default="on">
259 Allow leptons to radiate photons; on/off = true/false.
260 </flag>
261
262 <p/>
263 There are three further possibilities to simplify the shower:
264
265 <flag name="SpaceShower:MEcorrections" default="on">
266 Use of matrix element corrections; on/off = true/false.
267 </flag>
268
269 <flag name="SpaceShower:phiPolAsym" default="on">
270 Azimuthal asymmetry induced by gluon polarization; on/off = true/false.
271 </flag>
272
273 <flag name="SpaceShower:phiIntAsym" default="on">
274 Azimuthal asymmetry induced by interference; on/off = true/false.
275 </flag>
276
277 <parm name="SpaceShower:strengthIntAsym" default="0.7"
278 min="0." max="0.9">
279 Size of asymmetry induced by interference. Natural value of order 0.5; 
280 expression would blow up for a value of 1.
281 </flag>
282
283 <modeopen name="SpaceShower:nQuarkIn" default="5" min="0" max="5">
284 Number of allowed quark flavours in <ei>g -> q qbar</ei> branchings,
285 when kinematically allowed, and thereby also in incoming beams. 
286 Changing it to 4 would forbid <ei>g -> b bbar</ei>, etc.
287 </modeopen>
288
289 <h3>Technical notes</h3>
290
291 Almost everything is equivalent to the algorithm in [1]. Minor changes 
292 are as follows.
293 <ul>
294 <li>
295 It is now possible to have a second-order running <ei>alpha_s</ei>,
296 in addition to fixed or first-order running. 
297 </li>
298 <li>
299 The description of heavy flavour production in the threshold region 
300 has been modified, so as to be more forgiving about mismatches 
301 between the <ei>c/b</ei>  masses used in Pythia relative to those 
302 used in a respective PDF parametrization. The basic idea is that, 
303 in the threshold region of a heavy quark <ei>Q</ei>, <ei>Q = c/b</ei>, 
304 the effect of subsequent <ei>Q -> Q g</ei> branchings is negligible. 
305 If so, then
306 <eq>
307    f_Q(x, pT2) = integral_mQ2^pT2  dpT'2/pT'2 * alpha_s(pT'2)/2pi
308       * integral P(z) g(x', pT'2) delta(x - z x')
309 </eq>
310 so use this to select the <ei>pT2</ei> of the <ei>g -> Q Qbar</ei> 
311 branching. In the old formalism the same kind of behaviour should 
312 be obtained, but by a cancellation of a <ei>1/f_Q</ei> that diverges 
313 at the theshold and a Sudakov that vanishes.
314 <br/>
315 The strategy therefore is that, once <ei>pT2 &lt; f * mQ2</ei>, with 
316 <ei>f</ei> a parameter of the order of 2, a <ei>pT2</ei> is chosen 
317 like <ei>dpT2/pT2</ei> between <ei>mQ2</ei> and <ei>f * mQ2</ei>, a
318 nd a <ei>z</ei> flat in the allowed range. Thereafter acceptance
319 is based on the product of three factors, representing the running
320 of <ei>alpha_strong</ei>, the splitting kernel (including the mass term) 
321 and the gluon density weight. At failure, a new <ei>pT2</ei> is chosen 
322 in the same  range, i.e. is not required to be lower since no Sudakov 
323 is involved. 
324 </li>
325 <li>
326 The QED algorithm now allows for hadron beams with non-zero photon
327 content. The backwards-evolution of a photon in a hadron is identical
328 to that of a gluon, with <ei>CF -> eq^2</ei> and <ei>CA -> 0</ei>.
329 Note that this will only work in conjunction with 
330 parton distribution that explicitly include photons as part of the
331 hadron structure (such as the MRST2004qed set). Since Pythia's
332 internal sets do not allow for photon content in hadrons, it is thus 
333 necessary to use the LHAPDF interface to make use of this feature. The
334 possibility of a fermion backwards-evolving to a photon has not yet
335 been included, nor has photon backwards-evolution in lepton beams. 
336 </li>
337 </ul>
338
339 </chapter>
340
341 <!-- Copyright (C) 2010 Torbjorn Sjostrand -->
342