Brief physics summary of the
Monte Carlo generator workshop[ Hadron Collider Physi s Summer S hool 2010 ℄----------------------------------------------Jan Winter� Fermilab �Monte Carlo event generationVe tor boson produ tion and parton showersV + n-jets using tree-level ME+PS mergingV + n-jets � next-to-leading order
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.1
Monte Carlo modelling of a (high-pT ) eventFa torization approa h: divide jet simulation into di�erent phasesPerturbative Phases: [parton jets]Hard pro ess/intera tion (hard jet produ tion)exa t matrix elements |M|2QCD bremsstrahlung (soft/ oll multiple emissions)initial- and �nal-state parton showeringMultiple/Se ondary intera tionsmodelling the underlying eventNon-perturbative Phases: [jet confinement – particle jets]Hadronizationphenomenologi al models to onvert partons into primary hadronsHadron de aysphase-spa e or e�e tive models to de ay unstable intostable hadrons as observed in dete tors �������������������������
�������������������������
������������������������������������
������������������������������������
���������������������������
���������������������������
���������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
������������
������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
������������������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������������������
������������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������
������������������
������������������������
������������������
��������������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
���������������
���������������������
������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������������
������������������������
����������
����������
������������
������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
����������
����������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������
������������
���������������������������
���������������������������
���������������������������������������������
���������������������������������������������
predi tions at hadron level � omparable to experimental data if orre ted for dete tor e�e ts
Pre ise and ompatible jet de�nition is ne essary on theoreti al and experimental level.
Type: onemaximize energy within a oneradius (pseudo-)rapidity azimuthal angle
Type: lusteridenti� ation and ombination of nearest neighbouring parti lesinfra-red safe -measure: �nd minimal value of
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.2
Monte Carlo modelling of a (high-pT ) eventFa torization approa h: divide jet simulation into di�erent phasesPerturbative Phases: [parton jets]Hard pro ess/intera tion (hard jet produ tion)exa t matrix elements |M|2QCD bremsstrahlung (soft/ oll multiple emissions)initial- and �nal-state parton showeringMultiple/Se ondary intera tionsmodelling the underlying eventNon-perturbative Phases: [jet confinement – particle jets]Hadronizationphenomenologi al models to onvert partons into primary hadronsHadron de aysphase-spa e or e�e tive models to de ay unstable intostable hadrons as observed in dete tors �������������������������
�������������������������
������������������������������������
������������������������������������
���������������������������
���������������������������
���������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
������������
������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
������������������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������������������
������������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������
������������������
������������������������
������������������
��������������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
���������������
���������������������
������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������������
������������������������
����������
����������
������������
������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
����������
����������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������
������������
���������������������������
���������������������������
���������������������������������������������
���������������������������������������������
predi tions at hadron level � omparable to experimental data if orre ted for dete tor e�e ts
Pre ise and ompatible jet de�nition is ne essary on theoreti al and experimental level.
Type: onemaximize energy within a oneradius (pseudo-)rapidity azimuthal angle
Type: lusteridenti� ation and ombination of nearest neighbouring parti lesinfra-red safe -measure: �nd minimal value of
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.2
Monte Carlo modelling of a (high-pT ) eventFa torization approa h: divide jet simulation into di�erent phasesPerturbative Phases: [parton jets]Hard pro ess/intera tion (hard jet produ tion)exa t matrix elements |M|2QCD bremsstrahlung (soft/ oll multiple emissions)initial- and �nal-state parton showeringMultiple/Se ondary intera tionsmodelling the underlying eventNon-perturbative Phases: [jet confinement – particle jets]Hadronizationphenomenologi al models to onvert partons into primary hadronsHadron de aysphase-spa e or e�e tive models to de ay unstable intostable hadrons as observed in dete tors �������������������������
�������������������������
������������������������������������
������������������������������������
���������������������������
���������������������������
���������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
������������
������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
������������������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������������������
������������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
��������������������
������������������
������������������
������������������
������������������������
������������������
��������������������
������������������
������������������
��������������������
��������������������
���������������
���������������������
������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������������
������������������������
����������
����������
������������
������������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������������������
������������������������
������������������������
������������������������
����������
����������
���������������
���������������
������������������
������������������
������������������
������������������
������������
������������
���������������������������
���������������������������
���������������������������������������������
���������������������������������������������
predi tions at hadron level � omparable to experimental data if orre ted for dete tor e�e ts
Pre ise and ompatible jet de�nition is ne essary on theoreti al and experimental level.
Type: onemaximize energy within a one
⇒ radius × (pseudo-)rapidity × azimuthal angle
Type: lusteridenti� ation and ombination of nearest neighbouring parti lesinfra-red safe kT -measure: �nd minimal value ofQ2
ij = min{k2T,i, k
2T,j} · (∆R2
ij/D2) and
Q2iB = k2
T,i
where e.g. ∆R2ij = 2 [cosh(ηi − ηj) − cos(φi − φj)]
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.2
Vector boson production al ulation of the hadroni ross se tion relying on fa torization theorem... ... expe ted to hold for A + B → V + X [COLLINS, SOPER, STERMAN, 2004 REVIEW]
σhadr =X
ij
Z
dx1dx2 fi(x1, µF) fj(x2, µF) σpart(ij → V → . . .)
σpart ... al ulable in pQCD; fi = parton density fun tions (PDFs) ... extra ted from data;separation of perturbative and non-perturbative regimes pQCD used to predi t rossse tions in ompli ated hadron ollider environmentV produ tion � LO: two initial-state partons fuseto make either W± → ℓν or Z/γ∗ → ℓ+ℓ−ve tor boson has no transverse momentumV + n-jet produ tion � LO: ve tor bosonre oils against one or more jets (parton-level jets)highly automated ME generators � tree levelAlpgen, MadGraph, Hela , Amegi , Comix,Whizard, LO MCFMJan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.3
Parton shower concept
t = p2a
Traditional approa h: des ribe additional jet a tivity by parton showers.QCD emissions preferably populate ollinear and soft phase-spa e regions.[ Pythia, Herwig, Ariadne ] QCD amplitudes fa torize in the oll/soft limit.Re ursive de�nition of multiple emissions:
dσn+1 = dσn
αs(t)
2 π
dt
tdz Pa→bc(z) (e.g. oll limit)
oll/soft parton emissions iteratively added to the initial/�nal states [ LL resummation ]good des ription of bulk of radiation and parti le multipli ity growthpartoni ensemble evolved down to hadronization s ale [ ordering variable Q, ϑ, pT ]provides suitable input for universal hadronization models [ O(1 GeV) ]ve tor boson produ tion: in lusive V + n-jets predi tion � LO+LL
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.4
Example: Sherpa’s Catani–Seymour showeruniversal dipole terms des ribe 1 → 2 parton splittings, exponentiated in Sudakov form fa tor orre t soft & oll. limits; 2 → 3 kinemati s: spe tator used to onserve E, ~p lo allyDrell�Yan produ tion:
CS Shower [SCHUMANN, KRAUSS, JHEP 03 (2008),038]
�
γ∗/Z0 1st emission
=⇒ . . .
�
γ∗/Z0
�γ∗/Z0
hard s ale �xed by M2ee ⇒ k2
⊥,maxtransverse momentum of lepton-pair determined by multiple QCD emissions
0 25 50 75 100 125 150 175 200p
T [GeV]
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
dσ/d
p T [
pb/G
eV]
CDF 2000CS show. + Py 6.2 had.CS show. + Py 6.2 had. (enhanced start scale)
0 5 10 15 20p
T [GeV]
5
10
15
20
25
30
dσ/d
p T [
pb/G
eV]
omparison with Tevatron CDF datarate normalised to datadominant ontribution for peeTSudakov damping for pee
T → 0hardest emission below k⊥,max
→ peeT > k⊥,max matrix-element regimeME orre tions an be implemement to im-prove 1st emission
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.5
V + n-jet predictions @ LO+LL and beyondExamples for shower Monte CarlosPythia � virtuality ordering, 1 → 2 (old) and pT ordering, 2 → 3 [SJOSTRAND, SKANDS, MRENNA]Herwig � angular ordering, 1 → 2 [WEBBER, MARCHESINI, SEYMOUR, RICHARDSON]Ariadne � Lund olour-dipole model, pT ordering, full 2 → 3 [LONNBLAD, GUSTAFSON, ANDERSSON]Sherpa's CS shower � based on CS subtra tion terms, pT ordering, 2 → 3 [SCHUMANN, KRAUSS]
Limitationsshower seeds are LO (QCD) pro esses onlyla k of high-energeti large-angle emissionssemi- lassi al pi ture; quantum interferen es and orrelations only approximateshower evolution pro eeds in the limit of large (number of olours)Possible improvements�rst few hardest emissions given by tree-level MEs improved LO+LL predi tions
use NLO QCD ore pro esses and mat h to parton showers NLO+LL predi tions
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.6
V + n-jet predictions @ LO+LL and beyondExamples for shower Monte CarlosPythia � virtuality ordering, 1 → 2 (old) and pT ordering, 2 → 3 [SJOSTRAND, SKANDS, MRENNA]Herwig � angular ordering, 1 → 2 [WEBBER, MARCHESINI, SEYMOUR, RICHARDSON]Ariadne � Lund olour-dipole model, pT ordering, full 2 → 3 [LONNBLAD, GUSTAFSON, ANDERSSON]Sherpa's CS shower � based on CS subtra tion terms, pT ordering, 2 → 3 [SCHUMANN, KRAUSS]Limitationsshower seeds are LO (QCD) pro esses onlyla k of high-energeti large-angle emissionssemi- lassi al pi ture; quantum interferen es and orrelations only approximateshower evolution pro eeds in the limit of large NC (number of olours)
Possible improvements�rst few hardest emissions given by tree-level MEs improved LO+LL predi tions
use NLO QCD ore pro esses and mat h to parton showers NLO+LL predi tions
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.6
V + n-jet predictions @ LO+LL and beyondExamples for shower Monte CarlosPythia � virtuality ordering, 1 → 2 (old) and pT ordering, 2 → 3 [SJOSTRAND, SKANDS, MRENNA]Herwig � angular ordering, 1 → 2 [WEBBER, MARCHESINI, SEYMOUR, RICHARDSON]Ariadne � Lund olour-dipole model, pT ordering, full 2 → 3 [LONNBLAD, GUSTAFSON, ANDERSSON]Sherpa's CS shower � based on CS subtra tion terms, pT ordering, 2 → 3 [SCHUMANN, KRAUSS]Limitationsshower seeds are LO (QCD) pro esses onlyla k of high-energeti large-angle emissionssemi- lassi al pi ture; quantum interferen es and orrelations only approximateshower evolution pro eeds in the limit of large NC (number of olours)Possible improvements�rst few hardest emissions given by tree-level MEs improved LO+LL predi tions
[ called (tree-level/LO) ME+PS merging – CKKW, L-CKKW, MLM, ME&TS – No NLO xsecs! ]use NLO QCD ore pro esses and mat h to parton showers NLO+LL predi tions
[ called NLO+PS matching – MC@NLO, POWHEG – Full NLO xsecs! ]
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.6
matrix element:
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
+
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
2
|AR|2 + |BR|
2 + 2 Re(ARB∗R)
Combine ME&PS advantages,remove ME&PS weaknesses.
Beware of double ounting,preserve universality ofhadronization.
parton shower:
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
2
+
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
˛
2
|AR|2 + |BR|
2
αS vs. Log
resummed in PS
exact ME
LO 5jet, but also
NLO 4jet
L
α n
m
NLLexact ME
LO 4jet
4
4
4
4
4
5
5
5
5
5
5
5
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.7
Tree-level ME+PS merging ombine parton-shower pros (soft emissions) +ME pros (hard emissions, quantum interferen es, orrelations)avoid double ounting and missing phase-spa e regionsDivide multi-jet phase spa e into two regimes:tree-level MEs: jet seed (hard parton) produ tion Q > Qjetparton showers: (intra-)jet evolution Qjet > Q > Qcut−offExamples for ME+PS merging Monte Carlos:Alpgen � MLM; interfa ed to Pythia or Herwig [MANGANO ET AL.]MadGraph � MLM, one or kT jets; interfa ed to Pythia [MALTONI ET AL.]Sherpa � CKKW, ME&TS from vs1.2; truly inter onne ted with PSs [KRAUSS ET AL.]Methods mainly di�er in:the jet de�nition used to de�ne/regularize the MEs,the way of a epting/reje ting jet on�gurations stemming from the MEs,the details on erning the starting onditions of the parton showering andthe jet vetoing inside the shower algorithm.
AMEGIC + APACIC onstant K-fa torintrinsi -smearingof order 1 GeV
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.8
Tree-level ME+PS merging ombine parton-shower pros (soft emissions) +ME pros (hard emissions, quantum interferen es, orrelations)avoid double ounting and missing phase-spa e regionsDivide multi-jet phase spa e into two regimes:tree-level MEs: jet seed (hard parton) produ tion Q > Qjetparton showers: (intra-)jet evolution Qjet > Q > Qcut−offExamples for ME+PS merging Monte Carlos:Alpgen � MLM; interfa ed to Pythia or Herwig [MANGANO ET AL.]MadGraph � MLM, one or kT jets; interfa ed to Pythia [MALTONI ET AL.]Sherpa � CKKW, ME&TS from vs1.2; truly inter onne ted with PSs [KRAUSS ET AL.]Methods mainly di�er in:the jet de�nition used to de�ne/regularize the MEs,the way of a epting/reje ting jet on�gurations stemming from the MEs,the details on erning the starting onditions of the parton showering andthe jet vetoing inside the shower algorithm.
CKKW [CATANI, KRAUSS, KUHN, WEBBER, JHEP 11 (2001) 063]
[KRAUSS, JHEP 08 (2002) 015]
/ GeV Z P0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
10-3
10-2
10-1
1
10pt Z
Z + 0 jet
Z + 1 jetZ + 2 jet
Z + 3 jetCDF
GeVpb
/
dPσ
d
/ GeV Z P0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
G
eVpb
/
dPσ
d
1
10
pt Z
Z + 0 jet
Z + 1 jetZ + 2 jet
Z + 3 jetCDF
⇒ IN SHERPA VS1.0 AND VS1.1
E.G. Z + JETS @ 1.8 TEV
KRAUSS ET AL. PRD 70 (2004) 114009
• AMEGIC + APACIC
• onstant K-fa tor
• intrinsi kT -smearingof order 1 GeVJan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.8
Comparison between merging approachesTree-level ME+PS merging predi tions of Alpgen, Ariadne, Hela , MadEvent and Sherpa.W + + X
dσ/d
E⊥
1 (p
b/G
eV)
(a)Alpgen
AriadneHelac
MadEventSherpa
10-2
10-1
100
101
102
E⊥ 1 (GeV)
-1-0.5
0 0.5
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
dσ/d
E⊥
2 (p
b/G
eV)
(b)
10-2
10-1
100
101
102
E⊥ 2 (GeV)
-1-0.5
0 0.5
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
dσ/d
E⊥
3 (p
b/G
eV)
(c)
10-3
10-2
10-1
100
101
E⊥ 3 (GeV)
-1-0.5
0 0.5
1
0 50 100 150 200 250 300
dσ/d
E⊥
4 (p
b/G
eV)
(d)
10-3
10-2
10-1
100
101
E⊥ 4 (GeV)
-1-0.5
0 0.5
1
0 50 100 150 200
jet ET spe tra atthe LHC
jet spe tra atthe LHC
similar patternwrt Tevatronextrapolation toLHC energiesmakes di�eren esmore pronoun edResults in arXiv:0706.2569(EPJC 53 (2008) 473)Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.9
Comparison between merging approachesTree-level ME+PS merging predi tions of Alpgen, Ariadne, Hela , MadEvent and Sherpa.W + + X
(1/σ
)dσ/
dη1
(a)
AlpgenAriadne
HelacMadEvent
Sherpa
0.1
0.2
η1
-0.4-0.2
0 0.2 0.4
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
(1/σ
)dσ/
dη2
(b)
0.1
0.2
η2
-0.4-0.2
0 0.2 0.4
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
(1/σ
)dσ/
dη3
(c)
0.1
0.2
η3
-0.4-0.2
0 0.2 0.4
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
(1/σ
)dσ/
dη4
(d)
0.1
0.2
η4
-0.4-0.2
0 0.2 0.4
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
jet spe tra atthe LHC
jet η spe tra atthe LHCsimilar patternwrt Tevatronextrapolation toLHC energiesmakes di�eren esmore pronoun edResults in arXiv:0706.2569(EPJC 53 (2008) 473)
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.9
Comparison with CDF data: W+jets production[T. AALTONEN ET AL., PRD 77 (2008) 011108]Monte Carlos need to be validated and tuned against most re ent Tevatron data.Sherpa vs1.1.3 predi tions normalized to total in lusive ross se tion. Two hoi es of PDFs.Tree-level ME+PS an reprodu e W+>=n-jet xse s to 20% after applying overall K-fa tor.
SHERPASHERPASHERPA
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
CDF Run 2 data (2008)
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6m)
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6l)
+ in
cl n
jets
) [p
b]ν
e→
(Wσ
−110
1
10
210
310
(MC
−dat
a) /
data
−0.4−0.2
00.20.4
Jet multiplicity (incl n jets)0 1 2 3 4
SHERPASHERPASHERPA
W + jets 1st jet
Tp
Tevatron Run 2
CDF Run 2 data (2008)
W + jets 1st jet
Tp
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6m)
W + jets 1st jet
Tp
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6l) [pb
/GeV
]T
,1/d
pσd
−310
−210
−110
1
10
(MC
−dat
a) /
data
−1
−0.5
0
0.5
1
[GeV]T,1
p100 200 300
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.10
Comparison with CDF data: W+jets production[T. AALTONEN ET AL., PRD 77 (2008) 011108]Monte Carlos need to be validated and tuned against most re ent Tevatron data.Sherpa vs1.1.3 predi tions normalized to total in lusive ross se tion. Two hoi es of PDFs.Tree-level ME+PS an reprodu e W+>=n-jet xse s to 20% after applying overall K-fa tor.
SHERPASHERPASHERPA
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
CDF Run 2 data (2008)
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6m)
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6l)
+ in
cl n
jets
) [p
b]ν
e→
(Wσ
−110
1
10
210
310
(MC
−dat
a) /
data
−0.4−0.2
00.20.4
Jet multiplicity (incl n jets)0 1 2 3 4
SHERPASHERPASHERPA
W + jets 2nd jet
Tp
Tevatron Run 2
CDF Run 2 data (2008)
W + jets 2nd jet
Tp
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6m)
W + jets 2nd jet
Tp
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6l) [pb
/GeV
]T
,2/d
pσd
−310
−210
−110
1
(MC
−dat
a) /
data
−1
−0.5
0
0.5
1
[GeV]T,2
p50 100 150
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.10
Comparison with CDF data: W+jets production[T. AALTONEN ET AL., PRD 77 (2008) 011108]Monte Carlos need to be validated and tuned against most re ent Tevatron data.Sherpa vs1.1.3 predi tions normalized to total in lusive ross se tion. Two hoi es of PDFs.Tree-level ME+PS an reprodu e W+>=n-jet xse s to 20% after applying overall K-fa tor.
SHERPASHERPASHERPA
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
CDF Run 2 data (2008)
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6m)
W + jets−1320 pb
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6l)
+ in
cl n
jets
) [p
b]ν
e→
(Wσ
−110
1
10
210
310
(MC
−dat
a) /
data
−0.4−0.2
00.20.4
Jet multiplicity (incl n jets)0 1 2 3 4
SHERPASHERPASHERPA
W + jets 3rd jet
Tp
Tevatron Run 2
CDF Run 2 data (2008)
W + jets 3rd jet
Tp
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6m)
W + jets 3rd jet
Tp
Tevatron Run 2
Sherpa 112 CKKW 3jet (cteq6l) [pb
/GeV
]T
,3/d
pσd
−310
−210
−110
(MC
−dat
a) /
data
−1
−0.5
0
0.5
1
[GeV]T,3
p20 40 60 80
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.10
V + n-jets ....
at & beyond NLO ... ..
In lusion of all diagrams ontributing at a given order in leads to LO, NLO, NNLO, ... results.
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.11
V + n-jets ....
at & beyond NLO ... ..
LO
∣
∣
∣A
(0)qq′
∣
∣
∣
2
NLO
∣
∣
∣A
(0)qq′
∣
∣
∣
2
, ℜ(A(0)qq′A
(1)⋆
qq′ )
NNLO
∣
∣
∣A
(0)qq′
∣
∣
∣
2
, ℜ(A(0)qq′A
(1)⋆
qq′ ),
ℜ(A(0)qq′A
(2)⋆
qq′ ),∣
∣
∣A
(1)qq′
∣
∣
∣
2
and so forth...
In lusion of all diagrams ontributing at a given order in αs leads to LO, NLO, NNLO, ... results.
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.11
A well known example
O(αs) orre tions to virtual-photon de ay to quark�antiquark pair, γ∗
→ qq: K = 1 +αs(µ2
R)
π
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
+
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
2 real gluon emission, real → O(gs)Born + one additional leginfrared divergen ies|AR|
2 + |BR|2 + 2Re(ARB∗
R)
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
+ + +
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
2
virtual gluon orre tions, virtual → O(g2s), Born + one additional loopinfrared (soft & ollinear) and ultraviolet divergen ies (removed by renormalization)
|A0|2 + 2Re(A0A
∗V + A0B
∗V + A0C
∗V ) + |AV + BV + CV |2× ×
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.12
Need for NLO calculationsLessons learned from LEP, HERA, Tevatron:LO predi tions are �ne, yet often only give rough estimates� NLO: 1st real predi tion of normalization of many observablesless sensitivity to unphysi al input s ales (fa torization and renormalization s ales, µF & µR)more physi s (parton merging, jet substru ture, ISR, more IS parton spe ies)0.25 0.5 1 2 4 8
0
10
20
30
40
50
60
σ [
pb
]
LONLO
0.25 0.5 1 2 4 8µ / µ0
0.5
1
1.5
K-f
acto
r
µ0 = 2 M
W = 160.838 GeV
W- + 3 jets + X
BlackHat+Sherpa
√s = 14 TeV
ET
jet > 30 GeV, | ηjet
| < 3
ET
e > 20 GeV, | ηe
| < 2.5
ET/ > 30 GeV, M
T
W > 20 GeV
R = 0.4 [siscone]
Components of NLO al ulationstree-level amplitudes(LO & real radiation)one-loop orre tion to Born levelsubtra tion terms to handle and ombine singularitiesphase-spa e generatorfor example,
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.13
Need for NLO calculationsLessons learned from LEP, HERA, Tevatron:LO predi tions are �ne, yet often only give rough estimates� NLO: 1st real predi tion of normalization of many observablesless sensitivity to unphysi al input s ales (fa torization and renormalization s ales, µF & µR)more physi s (parton merging, jet substru ture, ISR, more IS parton spe ies)0.25 0.5 1 2 4 8
0
10
20
30
40
50
60
σ [
pb
]
LONLO
0.25 0.5 1 2 4 8µ / µ0
0.5
1
1.5
K-f
acto
r
µ0 = 2 M
W = 160.838 GeV
W- + 3 jets + X
BlackHat+Sherpa
√s = 14 TeV
ET
jet > 30 GeV, | ηjet
| < 3
ET
e > 20 GeV, | ηe
| < 2.5
ET/ > 30 GeV, M
T
W > 20 GeV
R = 0.4 [siscone]
Components of NLO al ulationstree-level amplitudes(LO & real radiation)
+ one-loop orre tion to Born level+ subtra tion terms to handle and ombine singularities
+ phase-spa e generator
for example,
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.13
Need for NLO calculationsLessons learned from LEP, HERA, Tevatron:LO predi tions are �ne, yet often only give rough estimates� NLO: 1st real predi tion of normalization of many observablesless sensitivity to unphysi al input s ales (fa torization and renormalization s ales, µF & µR)more physi s (parton merging, jet substru ture, ISR, more IS parton spe ies)0.25 0.5 1 2 4 8
0
10
20
30
40
50
60
σ [
pb
]
LONLO
0.25 0.5 1 2 4 8µ / µ0
0.5
1
1.5
K-f
acto
r
µ0 = 2 M
W = 160.838 GeV
W- + 3 jets + X
BlackHat+Sherpa
√s = 14 TeV
ET
jet > 30 GeV, | ηjet
| < 3
ET
e > 20 GeV, | ηe
| < 2.5
ET/ > 30 GeV, M
T
W > 20 GeV
R = 0.4 [siscone]
Components of NLO al ulationstree-level amplitudes(LO & real radiation)
+ one-loop orre tion to Born level+ subtra tion terms to handle and ombine singularities
+ phase-spa e generatorfor example, BLACKHAT+SHERPA
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.13
BlackHat+Sherpa W+2,3-jets predictions[GLEISBERG, KRAUSS, EPJC53 (2008) 501] [BERGER ET AL., PHYS REV D80 (2009) 074036]
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
10-4
10-3
10-2
10-1
100
dσ /
dET
[ p
b / G
eV ]
LONLOCDF data
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Second Jet E
T [ GeV ]
0.5
1
1.5
2 LO / NLOCDF / NLO
NLO scale dependence
W + 2 jets + X
BlackHat+Sherpa
LO scale dependence
ET
jet > 20 GeV, | ηjet
| < 2
ET
e > 20 GeV, | ηe
| < 1.1
ET/ > 30 GeV, M
T
W > 20 GeV
R = 0.4 [siscone]
√s = 1.96 TeV
µR = µ
F = E
T
W
20 30 40 50 60 70 80 90
10-3
10-2
10-1
dσ /
dET
[ p
b / G
eV ]
LONLOCDF data
20 30 40 50 60 70 80 90Third Jet E
T [ GeV ]
0.5
1
1.5
2 LO / NLOCDF / NLO
NLO scale dependence
W + 3 jets + X
BlackHat+Sherpa
LO scale dependence
ET
jet > 20 GeV, | ηjet
| < 2
ET
e > 20 GeV, | ηe
| < 1.1
ET/ > 30 GeV, M
T
W > 20 GeV
R = 0.4 [siscone]
√s = 1.96 TeV
µR = µ
F = E
T
W
Redu ed s ale un ertainties: grey NLO bands are smaller wrt yellow LO bandsLO rates are too low: �rst few bins ontain . ross se tion (log plot!) where LO undershootsLO shapes are distorted: Data/NLO is onsistent with one.
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.14
MCFM[CAMPBELL, ELLIS, HTTP://MCFM.FNAL.GOV/] [T. AALTONEN ET AL., PRL 100 (2008) 102001]
) [fb
]
- e+ e→*γ
BR
(Z/
× je
tsNσ
210
310
410
510(a)
-1 CDF Data L = 1.7 fb Systematic uncertainties NLO MCFM CTEQ6.1M corrected to hadron level
=1.3sep(Z), R2T + p2
Z = M20µ
/20µ = µ ; 0µ = 2µ NLO scale
NLO PDF uncertainties LO MCFM hadron level
jets N≥1 2 3
Rat
io t
o L
O
1
1.2
1.4
1.6
1.8(b)
[fb
/(G
eV/c
)]
jet
T/d
pσd
-110
1
10
210
310
410
510
20)×1 jet inclusive (≥) + -e+e→*(γZ/
2 jets inclusive≥) + -e+e→*(γZ/(a)
-1 CDF Data L = 1.7 fb Systematic uncertainties NLO MCFM CTEQ6.1M Corrected to hadron level
=1.3sep(Z), R2T + p2
Z = M20
µ /2
0µ = µ ;
0µ = 2µ
PDF uncertainties
Dat
a / T
heo
ry
0.40.60.8
11.21.41.61.8
1 jet inclusive≥) + -e+e→*(γZ/
(b)
[GeV/c] jetTp30 100 200
Dat
a / T
heo
ry
0.40.60.8
11.21.41.61.8
2 jets inclusive≥) + -e+e→*(γZ/
(c)
Z+jetsCDF data20071.7/fb
NLO parton-level event generator for a range of pro esses at hadron olliders.Anybody an study V + 0,1,2 jets � NLO (and LO) by running MCFM themselves.Spin orrelations maintained in de ays. Heli ity amplitudes. Slightly modi�ed CS subtra tion.
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.15
Comparison between MCFM and ME+PS mergingJ.M. Campbell and R.K. Ellis, Phys. Rev. D 60 (1999) 113006pp → W+W− + X � Tevatron Run II: • pT of the WW system
0 0.5 1 1.5 2 2.5log[p
T(W
+W
-) / GeV]
1e-05
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
(1/σ
) d
σ / d
log[
p T(W
+W
- ) / G
eV]
MCFM NLO (µ=MW
)
Sherpa 1jet ME levelSherpa 0jetSherpa 1jet
W+W
- --> e
+µ-νeνµ production @ Tevatron Run II
PDF: cteq6l
Cuts: pT
lep > 20 GeV, |ηlep
| < 1.0,
pT
jet > 15 GeV, |ηjet
| < 2.0,
∆Rll > 0.2, ∆R
lj > 0.4
MCFM � parton level vs.Sherpa � shower level� LO, distributiondes ribed by delta peak at 0� NLO, the pT of the
WW system �diverges�for soft pT s.ME+PS a ounts for multiplesoft-parton emission leadingto a Sudakov suppressionfor pT → 0for large pT , shapes ofNLO and ME+PS agree well,sin e both in ludereal-emission orre tions� same orderJan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.16
Beyond NLONLO+PS mat hingmat h PS to NLO preserving good features of PS (Sudakov suppression at small pT ,multiple soft/ oll emissions) and NLO (rate, high-pT shape, redu ed s ale dependen e)among other pro esses, V produ tion + de ays fully orrelatedMC�NLO: http://www.hep.phy. am.a .uk/theory/webber/MCatNLO/[FRIXIONE, WEBBER; ...]POWHEG: http://moby.mib.infn.it/ nason/POWHEG/[NASON; OLEARI, ...] work on Z+1jet under wayNNLO
pp → Z/γ∗ → ℓ+ℓ− al ulated by Petriello and Melnikov,show s ale dependen e is further redu edqT resummation + mat hing to higher orders al ulations taylored to des ribe spe i� observable very a urately, e.g. pT of Vfor example ResBos [C.-P. YUAN ET AL.]
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.17
NLO+PS matchingfor example MC�NLO: S. Frixione and B.R. Webber, JHEP 0206 (2002) 029pp → W+W− + X � 14 TeV LHC: • pT of the WW systemrate & shape omparisonMC�NLO vs. Herwig PSand NLO predi tionnaive NLO+PS leads todouble ountingPS has real-emission ontribution due to�nal-state bran hingPS has virtual ontributiondue to no-bran hing probabilitysolution: subtra t PS evolutionterms from 2 → n + 1 andadd ba k to 2 → nNLO results re overed upon expansion of NLO+PS in αs,mat hing is smooth, no phase-spa e separation ut, �nal states an be hadronized
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.18
SummaryIn a high-energy hadron ollider environment the produ tion of W/Z bosons is alwaysa�e ted by QCD radiation.
⇒ re oiling against �QCD� generates the ve tor boson's pT distribution.Parton showers an apture the leading e�e ts of soft and ollinear emissions.⇒ for ertain observables, e.g. pT,V , analyti resummations go beyond these limitsVe tor bosons often ome with additional hard jets.⇒ V + n-jets is a major ba kground to all new physi s sear hes.Parton showers an be improved by merging them with real-emission MEs for hard radiation.
⇒ CKKW, MLM, ...Comparison with data: di�eren es are on 20�40% level if an overall K-fa tor is used to orre t for the total in lusive ross se tion as measured in the experiment.V + n-jets � NLO: not only predi ts shapes but also total rate � NLO.Observables that are sensitive to multiple soft parton emission annot be des ribed.Hadronization and jet orre tions are needed to ompare to data.
⇒ NLO+PS mat hing improves on these last two points.
Please do not hesitate to ask your questions now(and later during the s hool).Look forward to hear and learn more inJohn Campbell's le tures on QCD.
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.19
SummaryIn a high-energy hadron ollider environment the produ tion of W/Z bosons is alwaysa�e ted by QCD radiation.
⇒ re oiling against �QCD� generates the ve tor boson's pT distribution.Parton showers an apture the leading e�e ts of soft and ollinear emissions.⇒ for ertain observables, e.g. pT,V , analyti resummations go beyond these limitsVe tor bosons often ome with additional hard jets.⇒ V + n-jets is a major ba kground to all new physi s sear hes.Parton showers an be improved by merging them with real-emission MEs for hard radiation.
⇒ CKKW, MLM, ...Comparison with data: di�eren es are on 20�40% level if an overall K-fa tor is used to orre t for the total in lusive ross se tion as measured in the experiment.V + n-jets � NLO: not only predi ts shapes but also total rate � NLO.Observables that are sensitive to multiple soft parton emission annot be des ribed.Hadronization and jet orre tions are needed to ompare to data.
⇒ NLO+PS mat hing improves on these last two points.
Please do not hesitate to ask your questions now(and later during the s hool).Look forward to hear and learn more inJohn Campbell's le tures on QCD.
Jan Winter FNAL, August 16, 2010 – p.19