source: trunk/documents/UserDoc/DocBookUsersGuides/PhysicsReferenceManual/latex/parameterisation/parameterisation.tex @ 1358

Last change on this file since 1358 was 1211, checked in by garnier, 15 years ago

CVS update

File size: 12.4 KB
Line 
1
2\section{Gflash Shower Parameterizations}
3
4The computing time needed for the simulation of high energy electromagnetic
5showers can become very large, since it increases approximately linearly with the
6energy absorbed in the detector.  Using parameterizations instead of
7individual particle tracking for electromagnetic (sub)showers can speed up
8the simulations considerably without sacrificing much precision.  The Gflash
9package allows the parameterization of electron and positron showers in
10homogeneous (for the time being) calorimeters and is based on the
11parameterization described in Ref. \cite{para.grind} .
12
13\subsection{Parameterization Ansatz}
14The spatial energy distribution of electromagnetic showers is given by 
15three probability density functions (pdf),                                     
16\begin{equation}                                                               
17dE (\vec{r}) \, = \, E\, f(t)dt\, f(r)dr\, f(\phi) d\phi ,                   
18\end{equation}                                                                 
19describing the longitudinal, radial, and azimuthal energy distributions.
20Here $t$ denotes the longitudinal shower depth in units of radiation length,
21$r$ measures the radial distance from the shower axis in Moli\`{e}re units,
22and $\phi$ is the azimuthal angle.  The start of the shower is defined by the
23space point where the electron or positron enters the calorimeter, which
24is different from the original Gflash.   
25A gamma distribution is used for the parameterization of the longitudinal
26shower profile, $f(t)$.  The radial distribution $f(r)$, is described by a
27two-component ansatz. In $\phi$, it is assumed that the energy is distributed
28uniformly: $ f(\phi) = 1/2\pi $.
29
30\subsection{Longitudinal Shower Profiles }                 
31\label{sec_hom_long}
32The average longitudinal shower profiles can be described by a gamma
33dis\-tri\-bution \cite{para.longo}:                       
34\begin{equation}                                                             
35\left\langle \frac{1}{E} \frac{dE(t)}{dt} \right\rangle                     
36\, = \, f(t) \, = \,                           
37\frac{ (\beta t)^{\alpha -1} \beta \exp(-\beta t) }                         
38{ \Gamma(\alpha) }.                                                   
39\end{equation}                                                               
40
41The center of gravity, $\langle t \rangle$, and the depth of the maximum,
42$T$, are calculated from the shape parameter $\alpha$ and the scaling
43parameter $\beta$ according~to:                             
44\begin{eqnarray}                 
45\langle t \rangle  & = & \frac{\alpha}{\beta}\\           
46T                  & = & \frac{\alpha-1}{\beta}.                             
47\label{talp}                                                                 
48\end{eqnarray}                 
49
50In the parameterization all lengths are measured in units of radiation length
51$(X_0)$, and energies in units of the critical energy
52($E_c=  2.66 \left( X_0 \frac{Z}{A} \right)^{1.1}$~).
53This allows material independence, since the longitudinal shower moments are
54equal in different materials, according to Ref. \cite{para.rossi}.
55The following equations are used for the energy dependence of $T_{hom}$ and
56$(\alpha_{hom})$,
57with $y = E/E_c$ and $t=x/X_0$, x being the longitudinal shower depth:
58\begin{eqnarray}                                                             
59\label{e_thom}                                                                 
60T_{hom} & = & \ln y + t_1 \\                                                 
61\label{e_ahom}                                                                 
62\alpha_{hom} & = & a_1 + (a_2 + a_3/Z) \ln y.                               
63\end{eqnarray}                                                               
64
65The $y$-dependence of the fluctuations can be described by:
66\begin{equation}                                                             
67\sigma \, = \, ( s_1 + s_2 \ln y )^{-1} .                                     
68\label{lsighom}                                                             
69\end{equation}                                                               
70
71The correlation between $\ln T_{hom} $ and $\ln \alpha_{hom} $
72is given by:   
73\begin{equation}                                                             
74\rho(\ln T_{hom}, \ln \alpha_{hom}) \, \equiv \, \rho                       
75               \, = \, r_1 + r_2 \ln y .   
76\label{corrhom}                                                             
77\end{equation}                                                               
78From these formulae, correlated and varying parameters $\alpha_i$ and
79$\beta_i$ are generated according to                         
80\begin{equation}       
81\left(                                                                       
82\begin{array}{c}                                                           
83\ln T_i \\                                                               
84\ln \alpha_i                                                             
85\end{array} \right)                                                       
86\, = \,                                                                     
87\left(                                                                       
88\begin{array}{c}                                                           
89\langle \ln T \rangle \\                                                 
90\langle \ln \alpha \rangle                                               
91\end{array} \right)                                                       
92+ C                                                                         
93\left(                                                                       
94\begin{array}{c}                                                           
95z_1 \\                                                                   
96z_2                                                                     
97\end{array} \right)                                                       
98\end{equation}       
99with                                                                           
100$$                 
101C \, = \,                                                                     
102\left(                                                                     
103\begin{array}{cc}                                                         
104\sigma (\ln T) & 0 \\                                                     
1050 & \sigma (\ln \alpha)                                                   
106\end{array} \right)                                                       
107\left(                                                                     
108\begin{array}{cc}                                                         
109\sqrt{\frac{1+\rho}{2}} & \sqrt{\frac{1-\rho}{2}} \\                     
110\sqrt{\frac{1+\rho}{2}} & - \sqrt{\frac{1-\rho}{2}}                     
111\end{array} \right) \,   $$                                                 
112$ \sigma (\ln \alpha)$ and $\sigma (\ln T)$ are the fluctuations of $T_{hom}$ 
113and $(\alpha_{hom}$.
114The values of the coefficients can be found in Ref. \cite{para.grind}.
115
116
117\subsection{Radial Shower Profiles}                       
118\label{sec_hom_rad}                                                           
119
120For the description of average radial energy profiles,                 
121\begin{equation}                                                               
122f(r) \, = \, \frac{1}{dE(t)} \frac{dE(t,r)}{dr},                             
123\end{equation}                                                                 
124a variety of different functions can be found in the literature.
125In Gflash the following two-component ansatz, an extension of that in
126Ref.\cite{para.nim90}, was used:
127\begin{eqnarray}     
128\label{frad}                                                                 
129f(r) &  = &  p f_C(r) + (1-p) f_T(r) \\                                     
130      &  = &                                                           
131                 p \frac{2 r R_C^2}{(r^2 + R_C^2)^2}                   
132            + (1-p) \frac{2 r R_T^2}{(r^2 + R_T^2)^2}                   
133\nonumber                                                                     
134\end{eqnarray} 
135
136with $$ 0 \leq p \leq 1 . $$     
137Here $R_C$ ($R_T$) is the median of the core (tail) component and $p$ 
138is a probability giving the relative weight of the core component.             
139The variable $\tau = t/T$, which measures the shower depth in
140units of the depth of the shower maximum, is used in order to generalize
141the radial profiles. This makes the parameterization more convenient and
142separates the energy and material dependence of various parameters.         
143The median of the core distribution, $R_C$, increases linearly with $\tau$.
144The weight of the core, $p$, is maximal around the shower maximum, and the
145width of the tail, $R_T$, is minimal at $\tau \approx 1$.
146
147The following formulae are used to parameterize the radial energy density
148distribution for a given energy and material:
149\begin{eqnarray}         
150\label{rz}                                                                 
151R_{C,hom}(\tau) & = &                                                         
152z_1 + z_2 \tau \\                                                           
153\label{rk}                                                                 
154R_{T,hom}(\tau) & = &                                                         
155k_1 \{ \exp (k_3(\tau -k_2)) + \exp (k_4(\tau -k_2)) \} \\                 
156\label{p}                                                                   
157p_{hom}(\tau) & = &                                                         
158p_\exp \left\{ \frac{p_2-\tau}{p_3} -                                   
159      \exp \left(   \frac{p_2-\tau}{p_3} \right) \right\}               
160\end{eqnarray}               
161The parameters $z_1 \cdots p_3$ are either constant or simple                 
162functions of $\ln E$ or $Z$.
163
164Radial shape fluctuations are also taken into account. A detailed
165explanation of this procedure, as well as a list of all the parameters used
166in Gflash, can be found in Ref. \cite{para.grind}.
167
168\subsection{Gflash Performance}
169
170The parameters used in this Gflash implementation were extracted from full
171simulation studies with Geant 3.  They also give good results inside the
172Geant4 fast shower framework when compared with the full electromagnetic
173shower simulation.  However, if more precision or higher particle energies
174are required, retuning may be necessary. 
175For the longitudinal profiles the difference between full simulation
176and Gflash parameterization is at the level of a few percent.   
177Because the radial profiles are slightly broader in Geant3 than in Geant4,
178the differences may reach $ > 10 \% $.
179The gain in speed, on the other hand, is impressive. The simulation of a
1801~TeV electron in a $PbWO_4$ cube is 160 times faster with Gflash.
181Gflash can also be used to parameterize electromagnetic showers in sampling
182calorimeters. So far, however, only homogeneous materials are supported.
183
184
185\subsection{Status of this document}
18602.12.04 created by J.Weng \\
18703.12.04 grammar check and minor re-wording by D.H. Wright \\
188
189
190\begin{latexonly}
191
192\begin{thebibliography}{99}
193
194\bibitem{para.grind} G.~Grindhammer, S.~Peters,
195{\em The Parameterized Simulation of Electromagnetic Showers in
196Homogeneous and Sampling Calorimeters, hep-ex/0001020 } (1993).
197
198\bibitem {para.longo} E.~Longo and I.~Sestili,{\em                     
199Nucl.~Instrum.~Meth.~128, 283} (1975).         
200
201\bibitem{para.rossi} ~Rossi {\em                                   
202rentice Hall, New York} (1952).
203
204\bibitem{para.nim90} G.~Grindhammer, M.~Rudowicz, and             
205       S.~Peters, {\em    Nucl.~Instrum.~Meth.~A290, 469} (1990).                               
206
207\end{thebibliography}                                               
208
209\end{latexonly}
210
211\begin{htmlonly}
212
213\subsection{Bibliography}
214
215\begin{enumerate}
216\item G.~Grindhammer, S.~Peters,
217{\em The Parameterized Simulation of Electromagnetic Showers in
218Homogeneous and Sampling Calorimeters, hep-ex/0001020 } (1993).
219
220\item E.~Longo and I.~Sestili,{\em                     
221Nucl.~Instrum.~Meth.~128, 283} (1975).         
222
223\item ~Rossi {\em Prentice Hall, New York} (1952).
224
225\item G.~Grindhammer, M.~Rudowicz, and             
226       S.~Peters, {\em    Nucl.~Instrum.~Meth.~A290, 469} (1990).                               
227
228\end{enumerate}                                               
229
230\end{htmlonly}
231
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.