Anwendung der Monte-Carlo-Simulation in der Hochenergiephysik

Geant ist ein Framework – was bedeutet, dass Sie es verwenden, um Anwendungen zu erstellen, die den Detektor und die Physik simulieren, an denen Sie interessiert sind. Die Simulation kann die gesamte Physik und den kompletten Detektor einschließlich Elektronik und Trigger umfassen (dh Sie können Ihre Simulation so schreiben dass es eine Datendatei ausgibt, die genauso aussieht wie die, die Sie aus dem Experiment erhalten werden ¹ ). ²

Die verschiedenen Teile von Geant werden validiert, indem die Ergebnisse von Experimenten korrekt vorhergesagt werden können. Bestimmte Modelle werden früh in der Analyse der Daten auf wohlbekannte Physik abgestimmt. Auf diese Weise können Sie simulierte optische Eigenschaften, Detektorverstärkungen usw. korrekt an das tatsächliche Instrument anpassen.

Geant ist auch stark dokumentiert . Lesen Sie die Einführung und die ersten beiden Kapitel des Benutzerhandbuchs für Anwendungsentwickler, die Ihnen die Grundlagen vermitteln. Danach können Sie in den Physik- und Software-Referenzen in die haarigen Details eintauchen. In einer Stack Exchange-Antwort gibt es viel, viel zu viel zu behandeln. (Ich meine wörtlich ... wenn ich es versuchen würde, würde ich am Ende das Limit von 32.000 Zeichen pro Beitrag überschreiten.)

Es hilft zu wissen, dass Geant4 von Geant3 und früheren Bemühungen abstammt. Dieses Ding hat eine jahrzehntelange Geschichte und wurde in Tausenden von großen und kleinen Experimenten getestet.

Die Verwendung in der Higgs-Suche geht ungefähr so

• Wir haben eine Theorie – das Standardmodell – die uns sagt, welche Kopplung für das Teilchen zu erwarten ist, das wir zu entdecken hoffen
• Wir schreiben (und testen) ein Geant-Physikmodul, das diese Physik implementiert. Vielleicht mehr als eine. Möglicherweise müssen wir parallel zu diesen Bemühungen einen neuen Ereignisgenerator schreiben oder einen vorhandenen optimieren.
• Sie konstruieren eine geniale Simulation Ihres Detektors. Sie fügen eine Simulation der Elektronik, Trigger und so weiter hinzu. ³
• Sie simulieren viele Daten aus dem gewünschten Kanal und aus möglichen Störkanälen (einschließlich Detektorrauschen und Hintergrund). Sie werden dafür einen Cluster oder ein Raster verwenden, da dies ein großes Problem darstellt
• Sie kombinieren diese simulierten Daten.
• Sie führen Ihre Analyse auf den simulierten Daten durch. ⁴
• Sie extrahieren aus diesen Ergebnissen ein "erwartetes" Signal.

Tatsächlich haben Sie all dies während der Design- und Finanzierungsphase mehrmals mit geringerer Genauigkeit durchgeführt und diese Ergebnisse verwendet, um zu bestimmen, wie viele Daten Sie sammeln müssten, welche Arten von Instrumentierungsdichten Sie benötigen und welche Datenrate Sie erreichen müssten zu unterstützen und so weiter bis zum Erbrechen .

Sobald Sie die Daten erhalten haben, beginnen Sie damit, Folgendes zu zeigen:

1. Sie können viele bekannte Physik in Ihrem Detektor erkennen (um den Detektor zu validieren und unerwartete Probleme zu finden) ⁵

2. Dass Ihr Modell die Detektorantwort auf diese bekannte Physik korrekt darstellt (damit Sie Ihr Modell debuggen und abstimmen können)

Dann müssen Sie möglicherweise einige der "erwarteten" Verarbeitungen erneut ausführen.

Nur dann können Sie versuchen, die Daten mit den Erwartungen zu vergleichen. ⁶

¹ In der Tat wird das Datenformat oft ausgetestet und vom MC aus gedebuggt, bevor das Experiment überhaupt aufgebaut ist.

² Für große, komplizierte Experimente wie die am LHC wird Geant normalerweise mit einem oder mehreren externen Ereignisgeneratoren gekoppelt. Bei den Neutrino-Experimenten, an denen ich gerade arbeite, sind das Genie und Cry. Ich bin mir nicht sicher, was die Collider-Jungs gerade benutzen.

³ Aus Geschwindigkeitsgründen simulieren wir die Elektronik und den Trigger oft außerhalb von Geant selbst, aber diese Entscheidung wird von Fall zu Fall getroffen.

⁴ Tatsächlich wird der Analysator oft über den MC-Ausgang programmiert und debuggt, bevor echte Daten vorliegen.

⁵ Hierher kommen auch die meisten tatsächlichen Wiederholungen von Ergebnissen in der Welt der Teilchenphysik. Sie erhalten keine Finanzierung, um die Messung der WingDing-Summenregel von BigExper zu wiederholen, aber wenn Ihr vorgeschlagenes NextGen-Spektrometer dies ebenso gut kann wie Ihr schickes New Physics (tm), hilft es Ihrem Fall bei den Finanzierungsagenturen.

⁶ Viele dieser Schritte werden von mehr als einer Person/Gruppe in der Zusammenarbeit durchgeführt, um umfassende Gegenkontrollen und Schutz vor peinlichen Fehlern zu bieten. (Siehe auch OPERAs kleine Ausgabe vom letzten Jahr...)

Ich glaube, dass dieses Konfidenzniveau durch die Schätzung des Hintergrundquerschnitts des Standardmodells bestimmt wird

Ich denke, dass das Konfidenzniveau während der Gespräche vom 4. Juli durch die Schätzung der Wahrscheinlichkeit von Rauschen über dem Hintergrund aus den Daten selbst für jeden Kanal zumindest durch CMS gegeben ist .

indem sie den Hintergrundquerschnitt des Standardmodells schätzen, sollten sie beobachten, ob alle bekannten Prozesse außer der Higgs-Produktion stattgefunden haben, und dann das Verhältnis des beobachteten Querschnitts zu dem vorhergesagten bilden.

sind die sogenannten Brasilien-Plots, dort taucht auch das 5-Sigma auf.

Monte Carlos generiert Ereignisse gemäß Generierungsfunktionen.

1) Ein Ereignis wird gemäß einer theoretischen Wahrscheinlichkeitsverteilung erzeugt.

2) Die resultierenden Teilchen werden durch die Detektoren propagiert, dh die Wege werden durch die Simulation der Detektoren genommen, und dort werden sekundäre Erzeugungsfunktionen verwendet, entsprechend dem Verhalten von Teilchen, die durch das Material der Detektoren gehen: Photonen im Elektromagnetischen Kalorimeter, Myonen in den Myonenkammern etc.

3) Lange Folgen von simulierten Ereignissen erzeugen einen Datensatz, der derselbe ist, als ob er vom gesamten Online-Detektorsystem käme.

Lange bevor reale Daten erscheinen, untersuchen Physiker die Ereignisse von Monte Carlo, um die Grenzen des Experiments zu erkunden. Wenn die Daten erscheinen und die Monte-Carlo-Ereignisse den Großteil der Beobachtungen gut simulieren, besteht Vertrauen, dass der Detektor verstanden wird und dass die Werkzeuge zur Bewertung neuer Physik funktionieren.

Monte-Carlo-Ereignisse sind nicht erforderlich, um ein Signal zu deklarieren. Sie sind notwendig, um die Physik des Signals auszuwerten.

Sie sind notwendig, um die Detektoreffekte und theoretischen Einschränkungen zu verstehen und genaue Querschnittsmessungen aus den Daten extrahieren zu können.