![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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/1.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/2.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/3.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/4.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/5.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/6.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/7.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/8.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/9.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/10.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/13.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/14.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/15.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/16.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/17.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/18.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/19.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/20.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/21.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/23.jpg)
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
![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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/24.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/25.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/26.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/27.jpg)
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](https://reader033.vdocuments.us/reader033/viewer/2022041614/5e39bfea33374209b03c3584/html5/thumbnails/28.jpg)
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