Генераторы событий в физике высоких энергий: принципы и применение.
Event generator
Генераторы событий в физике высоких энергий: моделирование столкновений частиц, процессы распада, бремсштралунг, КХД. Сложные вычисления и непертурбативные эффекты.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Генераторы событий – это программные библиотеки, которые генерируют смоделированные события физики высоких энергий. Они случайным образом создают события, подобные тем, что происходят в ускорителях частиц, на коллайдерных экспериментах или в ранней Вселенной. События бывают разных типов, называемых процессами, как обсуждается в статье «Автоматический расчет взаимодействий и распадов частиц». Несмотря на относительно простую структуру описания процессов столкновения и распада на уровне древовидных диаграмм в рамках теории возмущений квантовой поля, наблюдаемый процесс высокой энергии обычно содержит значительные модификации, такие как излучение фотонов и глюонов (тормозное излучение) или поправки, связанные с петлевыми диаграммами, которые, как правило, слишком сложны для непосредственной оценки в реальных вычислениях на диаграммном уровне. Более того, непертурбативная природа QCD-связанных состояний требует включения информации, выходящей за рамки применимости теории возмущений квантовой поля, а также недоступной для современных вычислений в решётчатой QCD. И в коллизионных системах, более сложных, чем несколько лептонов и адронов (например, столкновения тяжелых ионов), коллективное поведение системы требует феноменологического описания, которое также сложно получить из фундаментальной теории поля простыми вычислениями.
Event generators are software libraries that generate simulated high energy particle physics events. They randomly generate events as those produced in particle accelerators, collider experiments or the early universe. Events come in different types called processes as discussed in the Automatic calculation of particle interaction or decay article. Despite the simple structure of the tree level perturbative quantum field theory description of the collision and decay processes in an event, the observed high energy process usually contains significant amount of modifications, like photon and gluon bremsstrahlung or loop diagram corrections, that usually are too complex to be easily evaluated in real calculations directly on the diagrammatic level. Furthermore, the non perturbative nature of QCD bound states makes it necessary to include information that is well beyond the reach of perturbative quantum field theory, and also beyond present ability of computation in lattice QCD. And in collisional systems more complex than a few leptons and hadrons (e. g. heavy ion collisions), the collective behavior of the system would involve a phenomenological description that also cannot be easily obtained from the fundamental field theory by a simple calculus.
Использование в симуляциях
Как уже говорилось выше, экспериментальная калибровка включает в себя процессы, которые, как правило, слишком сложны для прямой и простой оценки в расчетах. Поэтому, для реалистичной проверки лежащего в основе физического процесса в эксперименте на ускорителях частиц, необходимо адекватно учитывать эти сложные явления, сопровождающие сам процесс. Поскольку в большинстве случаев полный процесс можно разложить на отдельные задачи (что подразумевает пренебрежимо малое влияние интерференции), эти отдельные процессы рассчитываются независимо, а вероятностное ветвление между ними моделируется методами Монте-Карло. Частицы в конечном состоянии, генерируемые генераторами событий, могут быть использованы в симуляции детектора, что позволяет точно предсказывать и верифицировать всю систему экспериментальной установки. Однако, поскольку симуляция детектора обычно является сложной и ресурсоемкой задачей, простые методы анализа событий также применяются непосредственно к результатам генераторов событий. Существуют автоматизированные программные пакеты, облегчающие создание генераторов событий, которые иногда рассматриваются как генераторы генераторов событий или метагенераторы. Отчасти по историческим причинам, большинство генераторов событий написаны на FORTRAN 77, хотя в последние годы постепенно появляются генераторы на C++. Группа по данным о частицах поддерживает стандарт обозначения частиц Стандартной модели и резонансов целыми числами в генераторах событий (также известные как "PDG коды").
As said above, the experimental calibration involves processes that usually are too complicated to be easily evaluated in calculations directly, so any realistic test of the underlying physical process in a particle accelerator experiment, therefore, requires an adequate inclusion of these complex behaviors surrounding the actual process. Based on the fact that in most processes a factorization of the full process into individual problems is possible (which means a negligible effect from interference), these individual processes are calculated separately, and the probabilistic branching between them are performed using Monte Carlo methods. The final state particles generated by event generators can be fed into the detector simulation, allowing a precise prediction and verification for the entire system of experimental setup. However, as the detector simulation is usually a complex and computationally expensive task, simple event analysis techniques are also performed directly on event generator results. Some automatic software packages exist, that help in constructing event generators and are sometimes viewed as generators of event generators or meta generators. Partly due to historic reasons, most event generators are written in FORTRAN 77, with a few C++ generators slowly emerging in recent years. The Particle Data Group maintains a standard for designating Standard Model particles and resonances with integer codes in event generators (also known as the "PDG code").