Update to pythi8.170
[u/mrichter/AliRoot.git] / PYTHIA8 / pythia8170 / htmldoc / ParticleDecays.html
1 <html>
2 <head>
3 <title>Particle Decays</title>
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6 </head>
7 <body>
8
9 <h2>Particle Decays</h2>
10
11 The <code>ParticleDecays</code> class performs the sequential decays of 
12 all unstable hadrons produced in the string fragmentation stage,
13 i.e. up to and including <i>b</i> hadrons and their decay products, 
14 such as the <i>tau</i> lepton. It is not to be used for the decay of 
15 more massive <a href="ResonanceDecays.html" target="page">resonances</a>, such as top, 
16 <i>Z^0</i> or SUSY, where decays must be performed already at the 
17 <code>ProcessLevel</code> of the event generation.
18
19 <p/>
20 The decay description essentially copies the one present in 
21 PYTHIA since many years, but with some improvements, e.g. in the decay
22 tables and the number of decay models available. Recently a more
23 sophisticated handling of <i>tau</i> decays has also been introduced.
24 Some issues may need further polishing.
25
26 <h3>Variables determining whether a particle decays</h3>
27
28 Before a particle is actually decayed, a number of checks are made.
29
30 <p/>
31 (i) Decay modes must have been defined for the particle kind;    
32 tested by the <code>canDecay()</code> method of <code>Event</code> 
33 (and <code>ParticleData</code>).        
34
35 <p/>
36 (ii) The main switch for allowing this particle kind to decay must 
37 be on; tested by the <code>mayDecay()</code> method of <code>Event</code> 
38 (and <code>ParticleData</code>). 
39
40 <p/>
41 (iii) Particles may be requested to have a nominal proper lifetime 
42 <i>tau0</i> below a threshold.
43
44 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:limitTau0 &nbsp;</strong> 
45  (<code>default = <strong>off</strong></code>)<br/>
46 When on, only particles with <i>tau0 &lt; tau0Max</i> are decayed.
47   
48
49 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:tau0Max &nbsp;</strong> 
50  (<code>default = <strong>10.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>)<br/>
51 The above <i>tau0Max</i>, expressed in mm/c.
52   
53
54 <p/>
55 (iv) Particles may be requested to have an actual proper lifetime 
56 <i>tau</i> below a threshold.
57
58 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:limitTau &nbsp;</strong> 
59  (<code>default = <strong>off</strong></code>)<br/>
60 When on, only particles with <i>tau &lt; tauMax</i> are decayed.
61   
62
63 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:tauMax &nbsp;</strong> 
64  (<code>default = <strong>10.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>)<br/>
65 The above <i>tauMax</i>, expressed in mm/c.<br/>
66 In order for this and the subsequent tests to work, a <i>tau</i> 
67 is selected and stored for each particle, whether in the end it
68 decays or not. (If each test would use a different temporary 
69 <i>tau</i> it would lead to inconsistencies.)
70   
71
72 <p/>
73 (v) Particles may be requested to decay within a given distance 
74 of the origin.
75
76 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:limitRadius &nbsp;</strong> 
77  (<code>default = <strong>off</strong></code>)<br/>
78 When on, only particles with a decay within a radius <i>r &lt; rMax</i> 
79 are decayed. There is assumed to be no magnetic field or other 
80 detector effects.
81   
82
83 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:rMax &nbsp;</strong> 
84  (<code>default = <strong>10.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>)<br/>
85 The above <i>rMax</i>, expressed in mm.
86    
87
88 <p/>
89 (vi) Particles may be requested to decay within a given cylidrical 
90 volume around the origin.
91
92 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:limitCylinder &nbsp;</strong> 
93  (<code>default = <strong>off</strong></code>)<br/>
94 When on, only particles with a decay within a volume limited by
95 <i>rho = sqrt(x^2 + y^2) &lt; xyMax</i> and <i>|z| &lt; zMax</i> 
96 are decayed. There is assumed to be no magnetic field or other 
97 detector effects.
98   
99
100 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:xyMax &nbsp;</strong> 
101  (<code>default = <strong>10.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>)<br/>
102 The above <i>xyMax</i>, expressed in mm.
103    
104
105 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:zMax &nbsp;</strong> 
106  (<code>default = <strong>10.</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>)<br/>
107 The above <i>zMax</i>, expressed in mm.
108    
109
110 <h3>Mixing</h3>
111
112 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:mixB &nbsp;</strong> 
113  (<code>default = <strong>on</strong></code>)<br/>
114 Allow or not <i>B^0 - B^0bar</i> and <i>B_s^0 - B_s^0bar</i> mixing.
115   
116
117 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:xBdMix &nbsp;</strong> 
118  (<code>default = <strong>0.776</strong></code>; <code>minimum = 0.74</code>; <code>maximum = 0.81</code>)<br/>
119 The mixing parameter <i>x_d = Delta(m_B^0)/Gamma_B^0</i> in the 
120 <i>B^0 - B^0bar</i> system. (Default from RPP2006.)
121    
122
123 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:xBsMix &nbsp;</strong> 
124  (<code>default = <strong>26.05</strong></code>; <code>minimum = 22.0</code>; <code>maximum = 30.0</code>)<br/>
125 The mixing parameter <i>x_s = Delta(m_B_s^0)/Gamma_B_s^0</i> in the 
126 <i>B_s^0 - B_s^0bar</i> system. (Delta-m from CDF hep-ex-0609040,
127 Gamma from RPP2006.)
128    
129
130 <h3>Tau decays</h3>
131
132 A new machinery has been introduced to handle <i>tau</i> lepton decays, 
133 with helicity information related to the production process and with
134 the form of the hadronic current fitted to data. It is largely based
135 on the corresponding Herwig++ implementation [<a href="Bibliography.html" target="page">Gre07</a>], with
136 some input from Tauola [<a href="Bibliography.html" target="page">Jad90</a>]. A complete writeup is 
137 in preparation [<a href="Bibliography.html" target="page">Ilt11</a>]. 
138
139 <p/>
140 For <i>tau</i>s in external processes, interfaced with Les Houches 
141 Acccord information available, e.g. via Les Houches Event Files (LHEF), 
142 the new machinery interprets the SPINUP number for <i>tau</i> leptons 
143 as giving their helicity, and decays them accordingly. The only exceptions 
144 are when a specific polarization is forced by the user (see below), 
145 which then overrides the SPINUP value, or when SPINUP has the special 
146 value 9 (unpolarized). In the latter case, PYTHIA defaults back to 
147 attempting to determine the helicity structure from the production 
148 process, in the same way as for internal processes.
149
150 <p/>
151 This new machinery is on by default, but it is possible to revert to 
152 the simpler old decay handling, e.g. to study differences. Furthermore
153 the spin tracing framework does not yet cover all possibilities; notably 
154 it cannot handle taus coming from SUSY decay chains 
155 (except via LHEF), so it makes sense 
156 to switch off the new machinery in such instances, for speed reasons if 
157 nothing else. In case only one tau mother species is undefined, the 
158 polarization involved can be set by hand.
159
160 <p/><code>mode&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:sophisticatedTau &nbsp;</strong> 
161  (<code>default = <strong>1</strong></code>; <code>minimum = 0</code>; <code>maximum = 3</code>)<br/>
162 Choice of <i>tau</i> decay model.
163 <br/><code>option </code><strong> 0</strong> : old decay model, with isotropic decays. 
164 When reading LHEF files, the SPINUP digit will be ignored.  
165 <br/><code>option </code><strong> 1</strong> : sophisticated decays where <i>tau</i> polarization is 
166 calculated from the <i>tau</i> production mechanism. 
167 When reading LHEF files, the SPINUP digit will be used.
168   
169 <br/><code>option </code><strong> 2</strong> : sophisticated decays as above, but additionally <i>tau</i> 
170 polarization is set to <code>ParticleDecaus:tauPolarization</code> for 
171 <i>tau</i>s produced from <code>ParticleDecays:tauMother</code>. 
172 When reading LHEF files, this overrides the SPINUP digit. 
173   
174 <br/><code>option </code><strong> 3</strong> : sophisticated decays where <i>tau</i> polarization is set 
175 to <code>ParticleDecaus:tauPolarization</code> for all <i>tau</i> decays. 
176 When reading LHEF files, this overrides the SPINUP digit. 
177   
178 <br/><b>Note</b>: options <code>2</code> and <code>3</code>, 
179 to force a specific <i>tau</i> polarization, only affect the decay 
180 of the <i>tau</i>. The angular distribution of the <i>tau</i> itself, 
181 given by its production, is not modified by these options. If you want, e.g., 
182 a righthanded <i>W</i>, or a SUSY decay chain, the kinematics should 
183 be handled by the corresponding cross section class(es), supplemented by 
184 the resonance decay one(s). The options here could then still be used 
185 to ensure the correct polarization at the <i>tau</i> decay stage.
186   
187
188 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:tauPolarization &nbsp;</strong> 
189  (<code>default = <strong>0</strong></code>; <code>minimum = -1.</code>; <code>maximum = 1.</code>)<br/>
190 Polarization of the <i>tau</i> when mode <i>2</i> or <i>3</i> of 
191 <code>ParticleDecays:sophisticatedTau</code> is selected.
192   
193
194 <p/><code>mode&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:tauMother &nbsp;</strong> 
195  (<code>default = <strong>0</strong></code>; <code>minimum = 0</code>)<br/>
196 Mother of the <i>tau</i> for forced polarization when mode <i>2</i> of 
197 <code>ParticleDecays:sophisticatedTau</code> is selected. You should give the
198 positive identity code; to the extent an antiparticle exists it will
199 automatically obtain the inverse polarization.
200   
201
202 <h3>Other variables</h3>
203
204 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:mSafety &nbsp;</strong> 
205  (<code>default = <strong>0.0005</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>; <code>maximum = 0.01</code>)<br/>
206 Minimum mass difference required between the decaying mother mass 
207 and the sum of the daughter masses, kept as a safety margin to avoid
208 numerical problems in the decay generation.
209    
210
211 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:sigmaSoft &nbsp;</strong> 
212  (<code>default = <strong>0.5</strong></code>; <code>minimum = 0.2</code>; <code>maximum = 2.</code>)<br/>
213 In semileptonic decays to more than one hadron, such as 
214 <i>B -> nu l D pi</i>, decay products after the first three are 
215 dampened in momentum by an explicit weight factor 
216 <i>exp(-p^2/sigmaSoft^2)</i>, where <i>p</i> is the 
217 three-momentum in the rest frame of the decaying particle.
218 This takes into account that such further particles come from the
219 fragmentation of the spectator parton and thus should be soft.   
220    
221
222 <p/>
223 When a decay mode is defined in terms of a partonic content, a random 
224 multiplicity (and a random flavour set) of hadrons is to be picked, 
225 especially for some charm and bottom decays. This is done according to 
226 a Poissonian distribution, for <i>n_p</i> normal particles and 
227 <i>n_q</i> quarks the average value is chosen as  
228 <br/><i>
229   n_p/ 2 + n_q/4 + multIncrease * ln ( mDiff / multRefMass)
230 </i><br/>
231 with <i>mDiff</i> the difference between the decaying particle mass 
232 and the sum of the normal-particle masses and the constituent quark masses. 
233 For gluonic systems <i>multGoffset</i> offers and optional additional 
234 term to the multiplicity. The lowest possible multiplicity is 
235 <i>n_p + n_q/2</i> (but at least 2) and the highest possible 10.
236 If the picked hadrons have a summed mass above that of the mother a 
237 new try is made, including a new multiplicity. These constraints 
238 imply that the actual average multiplicity does not quite agree with
239 the formula above.
240
241 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:multIncrease &nbsp;</strong> 
242  (<code>default = <strong>4.</strong></code>; <code>minimum = 2.</code>; <code>maximum = 6.</code>)<br/>
243 The above <i>multIncrease</i> parameter, except for 
244 <code>meMode = 23</code>.
245    
246
247 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:multIncreaseWeak &nbsp;</strong> 
248  (<code>default = <strong>2.5</strong></code>; <code>minimum = 1.</code>; <code>maximum = 4.</code>)<br/>
249 The above <i>multIncrease</i> parameter, specifically for 
250 <code>meMode = 23</code>. Here the weak decay implies that only the 
251 virtual W mass should contribute to the production of new particles, 
252 rather than the full meson mass.
253    
254
255 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:multRefMass &nbsp;</strong> 
256  (<code>default = <strong>0.7</strong></code>; <code>minimum = 0.2</code>; <code>maximum = 2.0</code>)<br/>
257 The above <i>multRefMass</i> parameter.
258    
259
260 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:multGoffset &nbsp;</strong> 
261  (<code>default = <strong>0.5</strong></code>; <code>minimum = 0.0</code>; <code>maximum = 2.0</code>)<br/>
262 The above <i>multGoffset</i> parameter.
263    
264
265 <p/><code>parm&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:colRearrange &nbsp;</strong> 
266  (<code>default = <strong>0.5</strong></code>; <code>minimum = 0.</code>; <code>maximum = 1.0</code>)<br/>
267 When a decay is given as a list of four partons to be turned into
268 hadrons (primarily for modes 41 - 80)  it is assumed that they are 
269 listed in pairs, as a first and a second colour singlet, which could 
270 give rise to separate sets of hadrons. Here <i>colRearrange</i> is 
271 the probability that this original assignment is not respected, and 
272 default corresponds to no memory of this original colour topology.
273    
274
275 <p/><code>flag&nbsp; </code><strong> ParticleDecays:FSRinDecays &nbsp;</strong> 
276  (<code>default = <strong>true</strong></code>)<br/>
277 When a particle decays to <i>q qbar</i>, <i>g g</i>, <i>g g g</i> 
278 or <i>gamma g g</i>, with <code>meMode > 90</code>, allow or not a 
279 shower to develop from it, before the partonic system is hadronized. 
280 (The typical example is <i>Upsilon</i> decay.)
281   
282
283 In addition, some variables defined for string fragmentation and for
284 flavour production are used also here.
285  
286 <h3>Modes for Matrix Element Processing</h3>
287
288 Some decays can be treated better than what pure phase space allows,
289 by reweighting with appropriate matrix elements. In others a partonic
290 content has to be converted to a set of hadrons. The presence of such
291 corrections is signalled by a nonvanishing <code>meMode()</code> value
292 for a decay mode in the <a href="ParticleDataScheme.html" target="page">particle
293 data table</a>. The list of allowed possibilities almost agrees with the 
294 PYTHIA 6 ones, but several obsolete choices have been removed, 
295 a few new introduced, and most have been moved for better consistency. 
296 Here is the list of currently allowed <code>meMode()</code> codes:
297 <ul>
298 <li>  0 : pure phase space of produced particles ("default");
299 input of partons is allowed and then the partonic content is 
300 converted into the minimal number of hadrons (i.e. one per
301 parton pair, but at least two particles in total)</li>
302 <li>  1 : <i>omega</i> and <i>phi -> pi+ pi- pi0</i></li>
303 <li>  2 : polarization in <i>V -> PS + PS</i> (<i>V</i> = vector, 
304 <i>PS</i> = pseudoscalar), when <i>V</i> is produced by 
305 <i>PS -> PS + V</i> or <i>PS -> gamma + V</i></li>
306 <li> 11 : Dalitz decay into one particle, in addition to the 
307 lepton pair (also allowed to specify a quark-antiquark pair that 
308 should collapse to a single hadron)</li>
309 <li> 12 : Dalitz decay into two or more particles in addition 
310 to the lepton pair</li>
311 <li> 13 : double Dalitz decay into two lepton pairs</li>
312 <li> 21 : decay to phase space, but weight up <i>neutrino_tau</i> spectrum
313 in <i>tau</i> decay</li>
314 <li> 22 : weak decay; if there is a quark spectator system it collapses to 
315 one hadron; for leptonic/semileptonic decays the <i>V-A</i> matrix element
316 is used, for hadronic decays simple phase space</li>
317 <li> 23 : as 22, but require at least three particles in decay</li>
318 <li> 31 : decays of type B -> gamma X, very primitive simulation where
319 X is given in terms of its flavour content, the X multiplicity is picked 
320 according to a geometrical distribution with average number 2, and 
321 the photon energy spectrum is weighted up relative to pure phase space</li>
322 <li> 42 - 50 : turn partons into a random number of hadrons, picked according 
323 to a Poissonian with average value as described above, but at least 
324 <code>code</code> - 40 and at most 10, and then distribute then in pure 
325 phase space; make a new try with another multiplicity if the sum of daughter
326 masses exceed the mother one </li>
327 <li> 52 - 60 : as 42 - 50, with multiplicity between <code>code</code> - 50 
328 and 10, but avoid already explicitly listed non-partonic channels</li>
329 <li> 62 - 70 : as 42 - 50, but fixed multiplicity <code>code</code> - 60</li>
330 <li> 72 - 80 : as 42 - 50, but fixed multiplicity <code>code</code> - 70,
331 and avoid already explicitly listed non-partonic channels</li>
332 <li> 91 : decay to <i>q qbar</i> or <i>g g</i>, which should shower 
333 and hadronize</li>
334 <li> 92 : decay onium to <i>g g g</i> or <i>g g gamma</i> 
335 (with matrix element), which should shower and hadronize</li>
336 <li> 100 - : reserved for the description of partial widths of 
337 <a href="ResonanceDecays.html" target="page">resonances</a></li>
338 </ul>
339
340 Three special decay product identity codes are defined.
341 <ul>
342 <li>81: remnant flavour. Used for weak decays of c and b hadrons, where the
343 c or b quark decays and the other quarks are considered as a spectator
344 remnant in this decay. In practice only used for baryons with multiple 
345 c and b quarks, which presumably would never be used, but have simple
346 (copied) just-in-case decay tables. Assumed to be last decay product.</li> 
347 <li>82: random flavour, picked by the standard fragmentation flavour
348 machinery, used to start a sequence of hadrons, for matrix element
349 codes in 41 - 80. Assumed to be first decay product, with -82 as second
350 and last. Where multiplicity is free to be picked it is selected as for
351 normal quarkonic systems. Currently unused.</li>  
352 <li>83: as for 82, with matched pair 83, -83 of decay products. The 
353 difference is that here the pair is supposed to come from a closed gluon 
354 loop (e.g. <i>eta_c -> g g</i>) and so have a somewhat higher average
355 multiplicity than the simple string assumed for 82, see the
356 <code>ParticleDecays:multGoffset</code> parameter above.</li>
357 </ul>
358
359 </body>
360 </html>
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