Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Sherpa
Overview and Recent Developments
Silvan Kuttimalai
April 20th, 2018
MC4BSM 2018 Durham
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
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
Overview
Dipole Parton Showers
CS shower [Schumann et al.: JHEP 0803 (2008)]
Dire shower [Hoche et al.: Eur.Phys.J. C75 (2015)]
�������������������������
�������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������
������������������������������������
������������������������������������
������������������������������������
���������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
������������
������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������������
������������
������������������
���������������
���������������
������������������
������������������
�������������������������
�������������������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������������
������������������
������������������
������������
������������
������������������
������������������
����������
����������
����������
����������
������������������
������������������ ���
������������
���������������
������������������
������������������
���������������
���������������
����������
����������
������������������
������������������
������������
������������
���������������
���������������
��������������������
��������������������
������������
������������
������������������
������������������
������������������������������������
��������������������������������������
����������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
1
Overview
Non-Perturbative Aspects
Cluster Fragmentation model
Multi-Parton interaction model
�������������������������
�������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������
������������������������������������
������������������������������������
������������������������������������
���������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
������������
������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������������
������������
������������������
���������������
���������������
������������������
������������������
�������������������������
�������������������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������������
������������������
������������������
������������
������������
������������������
������������������
����������
����������
����������
����������
������������������
������������������ ���
������������
���������������
������������������
������������������
���������������
���������������
����������
����������
������������������
������������������
������������
������������
���������������
���������������
��������������������
��������������������
������������
������������
������������������
������������������
������������������������������������
��������������������������������������
����������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
1
BSM Physics with Sherpa
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
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
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
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
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
dσ
/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
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
dσ
/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
dσ
/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
Recent Developments: NLO EW
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
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
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
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
Recent Developments:
NLO for Loop Induced Processes
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
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
Example: Higgs Pair Production
[Heinrich et al.: JHEP 1708 (2017)]
Indications for large uncertainties
13
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
dσ
/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
Higgs Pair Production at NLO
10−9
10−8
10−7
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
dσ
/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
dσ
/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
Recent Developments: NLO PS
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
Towards NLO Parton Showers
[Hoche et al.: JHEP 1710 (2017)]
17
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
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