28
Sherpa Overview and Recent Developments Silvan Kuttimalai April 20th, 2018 MC4BSM 2018 Durham

Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Sherpa

Overview and Recent Developments

Silvan Kuttimalai

April 20th, 2018

MC4BSM 2018 Durham

Page 2: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Overview

What is Sherpa? [Gleisberg et al.: JHEP 0902 (2009)]

Multi-purpose MC event generator for high-energy collider physics

From hard process to hadron-level events

Focus on perturbative aspects

�������������������������

�������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

���������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������

������������

������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������������

������������

������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

�������������������������

�������������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

������������������������

������������������

������������������

������������

������������

������������������

������������������

����������

����������

����������

����������

������������������

������������������ ���

������������

���������������

������������������

������������������

���������������

���������������

����������

����������

������������������

������������������

������������

������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

������������

������������

������������������

������������������

������������������������������������

��������������������������������������

����������

������������

���������������

���������������

���������������

���������������

1

Page 3: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Overview

Hard Process

Two tree-level ME generators

Comix [Gleisberg et al.: JHEP 0812 (2008)]

Amegic++ [Krauss et al.: JHEP 0202 (2002)]

Interfaces to loop-ME generators

NLO QCD

NLO EW

Multijet-merging @ LO and NLO

NNLO plugins for few processes

Drell-Yan

Higgs production

�������������������������

�������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

���������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������

������������

������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������������

������������

������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

�������������������������

�������������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

������������������������

������������������

������������������

������������

������������

������������������

������������������

����������

����������

����������

����������

������������������

������������������ ���

������������

���������������

������������������

������������������

���������������

���������������

����������

����������

������������������

������������������

������������

������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

������������

������������

������������������

������������������

������������������������������������

��������������������������������������

����������

������������

���������������

���������������

���������������

���������������

1

Page 4: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Overview

Dipole Parton Showers

CS shower [Schumann et al.: JHEP 0803 (2008)]

Dire shower [Hoche et al.: Eur.Phys.J. C75 (2015)]

�������������������������

�������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

���������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������

������������

������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������������

������������

������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

�������������������������

�������������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

������������������������

������������������

������������������

������������

������������

������������������

������������������

����������

����������

����������

����������

������������������

������������������ ���

������������

���������������

������������������

������������������

���������������

���������������

����������

����������

������������������

������������������

������������

������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

������������

������������

������������������

������������������

������������������������������������

��������������������������������������

����������

������������

���������������

���������������

���������������

���������������

1

Page 5: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Overview

Non-Perturbative Aspects

Cluster Fragmentation model

Multi-Parton interaction model

�������������������������

�������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

���������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������

������������

������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������������

������������

������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

�������������������������

�������������������������

���������������

���������������

������������������

������������������

������������������������

������������������

������������������

������������

������������

������������������

������������������

����������

����������

����������

����������

������������������

������������������ ���

������������

���������������

������������������

������������������

���������������

���������������

����������

����������

������������������

������������������

������������

������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

������������

������������

������������������

������������������

������������������������������������

��������������������������������������

����������

������������

���������������

���������������

���������������

���������������

1

Page 6: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

BSM Physics with Sherpa

Page 7: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

BSM Toolchain

Lagrangian

L = LSM + cGΛ2 G

3 + . . .

FeynRules

[Alloul et al., CPC 185 (2014)]

UFO Output

[Degrande et al., CPC 183 (2012)]

Input parameters

Particle spectrum

Vertices

Color structures

Lorentz Structures

Monte Carlo

Sherpa

Herwig

MadGraph

. . .

2

Page 8: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

BSM Capabilities of Sherpa

BSM model input via universal UFO format

Support for spin 0/ 12/1 particles

Arbitrary Lorentz- and color structures → EFTs

ME generation with Comix

Spin-correlated decay chains

Model number of max. rel. deviation

processes tested Comix ↔ MadGraph5

Standard Model 60 2.3 · 10−10

Higgs Effective Field Theory 13 4.3 · 10−13

MSSM 401 1.0 · 10−10

Minimal Universal Extra Dimensions 51 2.8 · 10−12

Anomalous Quartic Gauge Couplings 16 5.9 · 10−12

. . .

3

Page 9: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

D-6 Effective Gluon Interactions

OG =cGΛ2

fabcGµa,νG

νb,κG

κc,µ

Collider Constraints from tt production

Bound from global top analysis: Λ/√cG > 850 GeV

[Buckley et al., JHEP 04 (2016)]

Idea: use Multijet Events

Two-jet events insensitive to OG

Njet ≥ 4 not considered before

Need to model high-multiplicity signal (5 jets)

NLO not feasible / relevant → use multijet merging

Need very efficient tree-level ME generator (Comix)

[Krauss, SK, Plehn: Phys.Rev. D95 (2017)]4

Page 10: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

D-6 Effective Gluon Interactions

Describe data well using MEPS@NLO merging

10−1

100

101

102

103

104

Even

tspe

rbi

n

Njet ≥ 4 Λ√cG

= 5 TeV

CMS dataSM

2000 3000 4000 5000 6000 7000ST [GeV]

0.51.01.52.0

Rat

ioto

SM SHERPA

Njet ≥ 4

10−1

100

101

102

103

104

Even

tspe

rbi

n

Njet ≥ 5 Λ√cG

= 5 TeV

CMS dataSM

2000 3000 4000 5000 6000 7000ST [GeV]

0.51.01.52.0

Rat

ioto

SM SHERPA

Njet ≥ 5

5

Page 11: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

D-6 Effective Gluon Interactions

5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0Λ/√

cG [TeV]

10−9

10−8

10−7

10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

CL s

Njet ≥ 5 L = 2.2 fb−1

Observed

Expected (±σ)

10−7

10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

/d

S T[p

b/G

eV]

Njet ≥ 5 Λ√cG

= 5 TeV

SMSM + OG (all terms)

SM + OG (1/Λ2 and 1/Λ4 terms)

SM + OG (1/Λ2 term)

2000 3000 4000 5000 6000 7000ST [GeV]

0.81.62.43.2

Rat

ioto

SM SHERPA

Λ√

cG> 5.2 TeV at 95 % CL

Based on MC for background, potential for improved using data-driven methods

6

Page 12: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Spin-Correlated Decays in the MSSM

u

u

χ02

e+

e−R

χ01

e−

Sher

paM

C

Full MECorrelated decaysUncorrelated decays

0

1

2

3

4

5

6

7

1/σ

/dm

[10−

3 /GeV

]

0 50 100 150 200 250 300 350

-2-1012

m(u, e+) [GeV]

corr

−fu

ll√

δ2(c

orr)

+δ2

(ful

l)

u

d

χ+1

χ01

W+

µ+

νµ

Sher

paM

C

Full MECorrelated decaysUncorrelated decays

0

1

2

3

4

5

1/σ

/dm

[10−

3 /GeV

]

0 50 100 150 200 250 300 350 400

-2-1012

m(d, µ+) [GeV]

corr

−fu

ll√

δ2(c

orr)

+δ2

(ful

l)

[Hoche et al.: Eur.Phys.J. C75 (2015)] 7

Page 13: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Recent Developments: NLO EW

Page 14: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

NLO EW: Motivation

NNLO QCD → %-level accuracy for many processes α2s ≈ α

Differentially, EW effects can be much larger

Photon radiation off final state leptons

→ Precision Z and W physics

Large corrections at high pT : EW Sudakovs

→ Dark matter backgrounds

Automation in Sherpa

Adapt QCD technology

[Schonherr: Eur.Phys.J. C78 (2018)]

[Lin

der

tet

al.

:E

ur.

Ph

ys.J

.C

77

(20

17

)]

8

Page 15: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

NLO EW: Sherpa Results

Sherpa+OpenLoops

V+0,1,2,3 jets [1607.01831/1606.02330/1605.04692]

Z + j/γ + j ratio [1605.04692/1505.05704]

ll + j/lν + j/νν + j/γ + j [1705.04664]

V + H [1607.01831]

llνν [1705.00598]

ttH [1605.04692]

tt+0,1 jet [1803.00950]

Sherpa+GoSam

γγ+0,1,2 jets [1706.09022]

γγγ/γγνl/γγll [1710.11514]

Sherpa+Recola

V jets, llll , ttH [1704.05783]

9

Page 16: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

EW Corrections for Top Pairs with Jets

[Gutschow et al.: 1803.00950]

dσNLO EWvirt =[BQCD + VEW +

∫Rsoft dφ1

]dφB

EWvirt Approximation

Captures leading EW Sudakovs

QED real radiation integrated over

Can be combined with QCD PS

Can be used in multijet merging

10

Page 17: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

EW Corrections for Top Pairs with Jets

[Gutschow et al.: 1803.00950]EWvirt Approximation

Captures leading EW Sudakovs

QED real radiation integrated over

Can be combined with QCD PS

Can be used in multijet merging

10

Page 18: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Recent Developments:

NLO for Loop Induced Processes

Page 19: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Loop-Induced Processes at NLO

General Treatment

Born and real corrections: Automated one-loop tools

IR-subtraction: standard techniques, e.g. Catani-Seymour

Parton shower matching: standard techniques, e.g. MC@NLO/Powheg

Availability of two-loop virtual amplitudes

gg → γγ [Bern et al.: hep-ph/0109078]

gg → VV → llll [Gehrmann et al.: 1503.04812, Manteuffel et al.: 1503.08835]

gg → HH [Borowka et al.: 1608.04798]

gg → Hj [Jones et al.: 1802.00349]11

Page 20: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Loop-Induced Processes at NLO

Implementation in Sherpa

Use Catani-Seymour for IR subtraction

External 1-loop building blocks (OpenLoops . . . )

Match to parton showers via MC@NLO (CS shower/Dire shower)

[Jones, SK: JHEP 1802 (2018)]

12

Page 21: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Example: Higgs Pair Production

[Heinrich et al.: JHEP 1708 (2017)]

Indications for large uncertainties

13

Page 22: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Higgs Pair Production at LO

[Jones, SK: 1711.03319]

10−11

10−10

10−9

10−8

10−7

10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

/d

pHH⊥

[pb/

GeV

] √s = 14 TeV

Full SM

SHERPA+HHGRID+OPENLOOPS

pp→ HH + jpp→ HH + CS showerpp→ HH + CS shower, µPS =

√s

101 102 103

pHH⊥ [GeV]

0.8

1.6

Rat

io

Sharply falling fixed-order spectrum → PS overshoots tail

14

Page 23: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Higgs Pair Production at NLO

10−9

10−8

10−7

10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

/d

pHH⊥

[pb/

GeV

]

p p → H H√s = 14 TeV

Full SM

SHERPA+HHGRID+OPENLOOPS

Fixed-Order NLOMC@NLO, Dire showerMC@NLO, CS shower

101 102 103

pHH⊥ [GeV]

0.8

1.6

Rat

ioto

FO

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

/d

pHH⊥

[fb/

GeV

]

p p → H H√

s = 14 TeV

Full SM

SHERPA+HHGRID+OPENLOOPS

NLO+NLL [Ferrera, Pires, 2017]

MC@NLO, Dire showerMC@NLO, CS shower

101 102

pHH⊥ [GeV]

0.7

0.9

1.1

1.3

Rat

ioto

NLO

+NLL

In MC@NLO, PS contributions to tail subtracted to O(αs)

Remainder large, control through judicious choice of shower scale

Match to fixed-order in high p⊥ tail

Good agreement with analytic resummation in low p⊥ region

[Jones, SK: JHEP 1802 (2018)] 15

Page 24: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Recent Developments: NLO PS

Page 25: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Towards NLO Parton Showers

|M|2P

P = + + . . .

So far only LO kernels in parton showers

First steps: Adapt NLO DGLAP for PS evolution

Formally connect PDF evolution to parton shower framework

Genuine 1→ 3 splittings for q → q′

Soft evolution: treat at LO for now

[Hoche et al.: Phys.Rev. D96 (2017)] q q′

16

Page 26: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Towards NLO Parton Showers

[Hoche et al.: JHEP 1710 (2017)]

17

Page 27: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Summary

Sherpa: general-purpose complete event generation framework

BSM physics via universal UFO format

Arbitrary models of spin 0/ 12 /1 particles supported (EFTs)

Recent developments:

NLO electroweak corrections

NLO parton shower

NLO loop-induced processes

18

Page 28: Sherpa - Overview and Recent Developments · BSM Capabilities of Sherpa BSM model input via universal UFO format Support for spin 0=1 2 =1 particles Arbitrary Lorentz- and color structures

Performance

0

0

1

1

2

2

3

3

N

100 100

101 101

102 102

103 103

104 104

105 105

106 106

∆t/

µs

per

PSpo

int

gg→ tt + NgAmegicComixOpenLoopsMadGraph standalone cpp