Simulation von Prozessen mit vielen Jets am (HL-)LHC mithilfe einer GPU-beschleunigten Berechnung von Matrixelementen

• Antragsteller: Dr. Enrico Bothmann
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510810461

Monte-Carlo-Simulationen von Teilchenkollisionen sind ein unverzichtbarer Pfeiler des LHC-Physikprogramms. Sie übersetzen Quantenfeldtheorien wie das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) in vollständig differenzielle simulierte Kollisionen, die direkt mit den experimentellen Daten verglichen werden können. Die Detektor-Kollaborationen ATLAS und CMS sagen voraus, dass die stark ansteigenden Kollisionsraten und die wachsende Komplexität der Analysen dazu führen werden, dass Monte-Carlo Simulationen um Faktoren von 2-10 beschleunigt werden müssen. Nur dann würde das erwartete Budget an Rechenzeit in der nächsten Dekade nicht überschritten werden. Zudem sind präzise Simulationen bei Endzuständen mit sechs oder mehr Teilchenjets zur Zeit nicht möglich. Diese aber würden es erlauben, die Sensitivität experimenteller Suchen nach Neuer Physik in Signaturen mit vielen Jets durch die Berücksichtigung der Korrelationen zwischen diesen Jets signifikant zu erhöhen. Um beide Probleme zu lösen, planen wir die Entwicklung neuer paralleler Algorithmen für die Berechnung der dazu nötigen Matrixelemente zur führenden Ordnung, sowie für das Phasenraum-Sampling. Diese werden in gängige Werkzeuge wie Sherpa integriert, um ihre Vorteile für experimentelle und phänomenologische Studien verfügbar zu machen. Unsere bisherigen Resultate für eine GPU-beschleunigte Berechnung von Gluon-Amplituden zeigen, dass die Rechenzeit um einen Faktor 10 in einem realistischen Chip-vs-Chip-Vergleich gesenkt werden kann. Der nächste Schritt im Rahmen dieses Projekts ist nun die Verallgemeinerung auf das ganze SM. Zudem ist die Anbindung an einen Jet-Merging-Algorithmus geplant, so dass Merging-Simulationen für eine bisher unerreichte Zahl von Jets verfügbar werden. Nach jedem Schritt werden wir Effizienzstudien und phänomenologische Studien der Physik und für die Korrelationen vieler Jets veröffentlichen. Um diese Ziele zu erreichen, studieren wir neue Varianten des bewährten rekursiven Berends-Giele-Algorithmus. Zur Berechnung beliebiger QCD-Amplituden planen wir dabei die erstmalige Verwendung der minimalen Melia-Farbbasis für die Berechnung der Amplituden und Farbfaktoren. Diese ermöglicht große Effizienzverbesserungen, da sie ein optimales Skalenverhalten aufweist. Ebenfalls planen wir die erstmalige Implementierung eines rekursiven GPU-beschleunigten Phasenraum-Samplings. Für das Jet-Merging zielen wir auf die Adaptierung des vor Kurzem entwickelten Sektor-Schauer-Merging-Algorithmus, der sich für viele Jets besonders gut eignet. Ein wichtiges Anschlussprojekt wäre die Verallgemeinerung unserer Entwicklungen auf Einschleifen-Rechnungen. Simulationen zur ersten Ordnung (und für viele Jets) könnten dann komplett parallelisiert und damit effizienter ausgeführt werden. Ein weiteres Anschlussprojekt wäre die Verwendung der GPU-beschleunigten Werkzeuge, um die nächste Generation von Deep-Learning-Anwendungen auf Kollisionsereignisse anzutreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Dr. Stefan Höche