Improving Parton Showers with Fixed Order Matrix Elements

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Fysik försöker förklara naturfenomen med matematiska beskrivningar som beror på systemet som studeras. Även om vi till exempel vet hur man beskriver rörelsen av ett fallande äpple, blir övervägandet av detaljer som ett fallande äpple knappast relevant när man försöker beräkna jordens rörelse runt solen. Å andra sidan spelar partikelfysik ingen roll i beskrivandet av äpplen. Målet med fysik är att finna en grundläggande teori, och väldefinierade sätt att ta bort alla onödiga detaljer, om vi vill på ett effektivt sätt beskriva ett ``större" system. Idag, hittar vi – åtminstone i princip – progressionen ? → Kärnsönderfall på subatomära avstånd beskrivs av partikelfysik → Atomer, molekyler, kemi på atomära avstånd beskrivs av kvantmekanik → Vardagsliv, biologi vid mellanliggande avstånd beskrivs med klassisk mekanik → Gravitation på astronomiska avstånd beskrivs av den allmänna relativitetsteorin → ? Beskrivningen av den naturliga världen kräver fyra grundläggande krafter: gravitation, elektromagnetism och ``svaga" och ``starka" kärnkrafter. De svaga och starka krafterna blir relevanta vid väldigt små avstånd, som bara kan lösas upp med högenergetiska prober, dvs. genom att kollidera protoner med varandra med energier som är jämförbara med de som fanns i ögonblicket efter big bang. Standardmodellen (SM) för partikelfysik kan, än så länge, förklara resultaten av sådana kollisionsexperiment genom att inkludera de tre grundläggande krafter som kan beskrivas med kvantmekaniskt utbyte av kraftbärande partiklar --- så kallade gauge bosoner. Elektromagnetism beskrivs av emission och absorption av fotoner. Den svaga kärnkraften, som t.ex. är ansvarig för omvandlingen av guld till bly, förmedlas av partiklar som kallas W- och Z-bosoner. Den starka kärnkraften motverkar den elektriska repulsionen i atomkärnan, vilket gör kärnan av helium stabil. Denna interaktion är en kvarleva av den kraft som kallas kvantkromodynamik (Quantum Chromodynamics --- QCD), som förmedlas av partiklar som kallas gluoner och buntar ihop grundläggande kvarkar till protoner och neutroner. Eftersom SM inte innefattar gravitationen är det i slutändan en ofullständig teori. Högenergipartikelkollisionsexperiment som Large Hadron Collider (LHC) hoppas att avslöja nya grundläggande partiklar och nya fundamentala krafter, som inte ingår i SM. Denna uppgift kräver allt högre energier för öka sannolikheten att producera och upptäcka tidigare okända partiklar. Uppgiften kräver också mycket noggranna beskrivningar av förväntade SM resultat för att kunna särskilja spår av sällsynta nya företeelser från ``vanliga" kollisioner i experimentell data. LHC är utformad för att kollidera protoner, eftersom protoner enklare kan accelereras till stora kinetiska energier än lättare partiklar, såsom elektroner. Att kollidera protoner är dock en rörig historia, och en mycket detaljerad förståelse av det sammansatta initialtillståndet och de överblivna protonrester är nödvändig. För att beskriva SM-strukturen, konstrueras datorprogram för att simulera partikelspridningarna i kollisionerna i detalj. Dessa så-kallade händelsegeneratorer bryter ner beskrivningen av kollisionsförloppet i följande steg: - Välj en beståndsdel (en kvark eller gluon, som gemensamt benämns partoner) ur varje kolliderande proton och forma ett nytt ``sluttillstånd". Detta steget kan repeteras flera gånger för ett par protoner, vilket producerar en händelse med flera sub-kollisioner av protonbeståndsdelar. Den primära spridningen som tar i anspråk den största andelen av de inkommande protonernas energi, är ofta en bakgrundskandidat för oväntade signaler. - Spridningsprocessen som simuleras på detta sätt initierar sedan en strålningskaskad där ett stort antal nya partoner produceras i en process vanligen kallad partonskur. - I slutet av kaskaden kombineras de producerade partonerna med varandra och med protonresterna till detekterbara partiklar såsom protoner och pioner. En detaljerade beskrivning av mer komplexa konfigurationer i mycketenergetiska primära spridningar kräver specialiserade program som kallas matriselementgeneratorer, och resultaten från dessa måste på ett konsekvent sätt jämkas samman med genereringen av partonskurarna. Denna avhandling handlar om att förbättra av beskrivningen av primära spridningar i kollisionshändelser genom att utveckla och förfina denna sammanjämkning av matriselement- och partonskursprogram. Resultaten har implementerats som en del i en händelsegenerator kallad PYTHIA8 som utvecklats i Lund men som används värden över av både teoretiker och experimentalister.