Participation du LAPP
with event reweighting techniques.
This collaboration has been supported in France by a PICS and, at the European
level, by an INTAS programme.
Les programmes de simulation d'événements sont devenus un outil indispensable en physique des hautes énergies, non seulement pour guider la conception des détecteurs, mais aussi pour interpréter les résultats expérimentaux. Ils permettent, en quelque sorte, de déconvoluer les résultats bruts des biais introduits par le détecteur et de comparer ainsi les prédictions théoriques aux mesures réalisées. Le signal physique ayant été simulé, il faut aussi évaluer les contributions de processus parasites venant dégrader la qualité du signal recherché. Pour l'analyse d'un processus donné, on doit donc disposer d'une importante panoplie de générateurs, aussi complète que possible, qui permet de chiffrer tous les processus parasites. De plus, lorsqu'il s'agit d'analyser les données d'expériences de précision, comme c'est le cas au LEP, la "simulation" doit être réalisée avec un soin tout particulier dans la mesure où le résultat final prendra en compte les erreurs statistiques et systématiques introduites par ces programmes. C'est pourquoi des physiciens du LAPP ont décidé de s'engager dans une collaboration KEKLAPP dans le but de contribuer à l'élaboration de générateurs d'événements utilisés dans le cadre d'analyse de physique au LEP.
Chaque processus de physique est décomposé en une série de sous processus représentés par les diagrammes de Feynman contribuant à l'état final étudié. Cependant, le nombre de diagrammes augmente très fortement avec la précision requise, l'inclusion des corrections radiatives, l'énergie dans le centre de masse et le nombre de particules de l'état final. La complexité de chaque calcul est aggravée par la prise en compte des masses et des effets de spin. Dans le cas de QCD (LHC), les calculs au delà de l'ordre dominant sont même si complexes qu'il est impossible de les réaliser par les méthodes conventionnelles. Il est, donc essentiel d'automatiser l'ensemble des tâches conduisant à la détermination des sections efficaces et à l'élaboration des générateurs d'événements.
1) ELABORATION DE NOUVEAUX GENERATEURS POUR LES EXPERIENCES AU LEP, LHC ET LC
Sur ce point, les études suivantes ont pour la plupart bénéficié des progrès réalisés par l'automatisation:
Physique gg au LEP : après la mise en oeuvre d'un générateur de jets [3] l'étude des jets dans les interactions gg a été effectuée à la précision des logarithmes au-delà de l'ordre dominant (next-to-leading order) et comparée aux résultats de Tristan et HERA.
Un modèle de gerbe dédié aux processus photon-photon permet de générer les composantes VDM, QCD résolue et ponctuelle des interactions gg. La compensation entre les contributions positives et négatives est assurée de façon stochastique dans la résolution du détecteur.
Physique 4-fermion : Les 76 processus 
4-fermions comme 
ou 
ont été calculés grâce à GRACE et incorporés
dans un seul générateur d'événements. Celui-ci
prend en compte les masses des fermions et les effets d'hélicité.
La divergence due à la violation de jauge introduite par la largeur
du W est régularisée, ce qui permet de générer
les processus dits à simple W [4,6]. Le couplage à 3 bosons
et les possibles anomalies ont ainsi pu être étudiés.
Supersymétrie: 23 processus comportant des états finals à 2 ou 3 particules sont simulés dans le package Susy23 au niveau de l'arbre dans le cadre du MSSM. Les particules finales peuvent ensuite se désintégrer dans un certain nombre de canaux possibles. Les effets de masse et de spin sont là encore pris en compte. [5]. La figure 1 est exemplaire de l'influence dans les distributions angulaires ou en impulsions des effets de spin.
Production de gammas avec énergie manquante : La
recherche de candidats supersymétriques nécessite une très
bonne connaissance des processus du modèle standard (MS) ayant une
signature proche ou même identique. Lorsque l'on recherche, par exemple,
un signal neutralino 
où 
,
on est confronté avec le ``bruit de fond'' MS, 
.
Nous avons développé un tel générateur avec
n=1,2 photons durs (partie intégrante de l'élément
de matrice) et n' photons dit radiatifs. La réaction à un
photon comporte un intérêt supplémentaire lorsque les
neutrinos finals sont de type électronique. Dans ce cas, le couplage
à trois bosons WWg apparaît dans
la voie t. Une étude au LEP des couplages anormaux a été
rendue possible par l'utilisation de ces générateurs. Une
technique de re-pondération des événements générés
permet en suivant une approche de minimisation d'estimer les paramètres 
et 
.
2) DEVELOPPEMENT DES OUTILS POUR FACILITER L'AUTOMATISATION DU CALCUL DES DIAGRAMMES
Ce deuxième objectif est illustré par la mise au point d'une application appelée GRACE (groupe du KEK), automatisant l'ensemble des tâches afférentes à l'élaboration d'un calcul complet: un générateur de diagrammes (plusieurs boucles), le calcul des diagrammes (au niveau de l'arbre) par la méthode des amplitudes d'hélicité, l'intégration multi-dimensionnelle sur l'espace de phase et le générateur aléatoire d'événements. Une interface conviviale avec PAW++ (grc) permet de calculer, de façon interactive, les processus (2 -> 2,3,4), de visualiser les sections efficaces différentielles et de construire le générateur d'événements.
Un autre programme CompHEP développé par le groupe de Moscou aborde ce calcul en mettant en oeuvre des techniques de calcul symbolique.
Les calculs aux ordres supérieurs (une boucle)
sont réalisés par le programme GRACE-L1 (en test)
pour les processus 2 -> 2 et certains 2 -> 3 comme, par exemple, 
[7]. L'utilisation d'une jauge non-linéaire permettant de simplifier
les calculs est en cours d'installation.
Nous étudions actuellement la faisabilité d'un générateur QCD au delà de l'ordre dominant qui devrait jouer un rôle important pour les expériences LHC.
Dans le cas des processus au niveau de l'arbre, les règles de Feynman du MSSM ont été introduites dans GRACE [8]. Ainsi, tout processus (MSSM) pour un nombre quelconque de particules dans l'état final peut être généré par la méthode des amplitudes d'hélicité dans le cas massif. La seule limitation réside dans le temps de calcul nécessaire à l'intégration multi-dimensionnelle. La définition des vertex avec particule de spin 3/2 est en cours pour aborder l'extension aux processus (SUGRA) mettant en jeu les gravitinos. Un certain nombre des membres de la collaboration participe activement au GDR-SUSY [9].
Avec la complexité des processus (par exemple
[11]) le temps de calcul devient de plus en plus grand. Nous avons mis
en place des techniques de calcul parallèle suivant le standard
PVM, nous permettant d'utiliser aussi bien un parc de stations de travail
qu'une machine massivement parallèle[10].
Pour plus d'information sur ces sujets et d'autres, dans le domaine de l'intelligence artificielle appliquée en physique, on peut consulter les comptes-rendus des workshops internationaux (AIHENP) [12] dont le cinquième a eu lieu à Lausanne. Le prochain sera organisé à Eilat (Israël).
Cette collaboration bénéficie du support financier d'un PICS tripartite (France-Japon-Russie) pour une durée de trois ans. Un programme INTAS, Europe-Russie, avec une dizaine de groupes Européens a permis de mener à bien l'informatisation des groupes Russes. Le groupe Japonais a été financé par le "Monbusho" (kakenhi) en 1995-97.
)REFERENCES
[1] Collaboration France (ENSLAPP, LAPP, LPTHE, LPNHE-X,
LPNHE, CPT) Japon (KEK) Russie (JINR INP IMSDRAS):
J. Fujimoto, T. Ishikawa, M. Jimbo T. Kaneko K. Kato,
S. Kawabata, T. Kon, M. Kuroda, Y. Kurihara, T. Munehisa, N. Nakazawa,
Y. Shimizu, H. Tanaka, K. Tobimatsu, Japon
P. Aurenche, G. Bélanger, F. Boudjema, P. Chiappetta,
G. Coignet, M. Fontannaz, J.P. Guillet, F. Kapusta, V. Lafage**, D. Perret-Gallix,
S. Rosier-Lees, R. Tanaka, France
D. Shirkov et coll. (JINR, Dubna), S. Ilyin et coll.
(INP, Moscow), I. Ginzburg et coll. (Inst. Math. Siberia, Novosibirsk)
Russie.
[2] INTAS 92-035, INTAS 93-1180, INTAS 93-1180-ext. (10 groupes Européens et 3 groupes Russes) M Fontannaz, P. Chiappetta, D. Perret-Gallix (coordinateur), D. Broadhurst, J. Fleischer, K. Kramer, M Boehm, P. Casalbuoni, Von Schlippe, J. Vermaseren, S. Ilyin, D. Shirkov, I. Ginzburg
[3] gamma-gamma event generators, Yellow Report CERN 96-01 V2, p. 211
[4] Event generators for WW physics, Yellow Report CERN 96-01 V2, p. 30
[5] Event generators for discovery physics, Yellow Report CERN 96-01 V2, p. 335
[6] GRC4F V1.1: a Four-fermion event generator for e+e- collisions, J. Fujimoto et al.,Comp. Phys. Comm. 100 (1997) 128-156
[7] Automation of loop amplitudes in numerical approach, J. Fujimoto et all NIM A 389 (1997) 301-304
[8] The Grace system for the Minimal Supersymmetric standard model, Tanaka et al. NIM A389 (1997) 295
[9] http://wwwlapp.in2p3.fr/boudjema/GDR/gracesusy0.html
[10] PVM-GRACE, Yuasa et al. NIM A389 (1997) 77-80
[11] 
with a 
production/B, Yuasa, F et al., KEK-Preprint-97-42
[12] http://wwwlapp.in2p3.fr/aihep/aihep/html
New Computing Techniques in Physics Research, First International Workshop on Software Engineering, Artificial Intelligence and Expert Systems in High Energy and Nuclear Physics, Lyon March 19-24 1990, Editions du C.N.R.S. ISBN 2-222-04514-2, Eds D. Perret-Gallix, W. Wojcik.
New Computing Techniques in Physics Research II, Second International Workshop on Software Engineering, Artificial Intelligence and Expert Systems in High Energy and Nuclear Physics, La Londe-les-Maures January 13-18 1992, World Scientific Publishing ISBN 981-02-1122-8, Ed. D. Perret-Gallix.
New Computing Techniques in Physics Research III, Third International Workshop on Software Engineering, Artificial Intelligence and Expert Systems in High Energy and Nuclear Physics, Oberammergau Bayern Germany October 4-8 1993, World Scientific Publishing ISBN 981-02-1699-8, Eds K.H. Becks, D. Perret-Gallix.
New Computing Techniques in Physics Research IV, Fourth International Workshop on Software Engineering, Artificial Intelligence and Expert Systems in High Energy and Nuclear Physics, Pisa (Italy) April 3-8 1995, World Scientific Publishing ISBN 9810224362, Eds B. Denby, D. Perret-Gallix
New Computing Techniques in Physics Research V, Fifth International Workshop on Software Engineering, Artificial Intelligence and Expert Systems in High Energy and Nuclear Physics, Lausanne (Switzerland) September 2-6 1996, North-Holland Publishing, Special issue of Nuclear Instrument and methods in Physics Research-A V 389 No 1-2 , SSN 0168-9002, Eds M. Werlen, D. Perret-Gallix.
___________________________________________________
*PICS Programme International de Collaboration
Scientifique
**Postdoc pour 2 ans au KEK