Formation GEANT4 - LPC

Formation GEANT4 - LPC Emmanuel Delage, Loïc Lestand, Yann Perrot, Bogdan Vulpescu

Formation GEANT4@LPC • Simulations GEANT4 au LPC: • Expériences diverses disponibles / Besoins émergents • Objectifs: • Donner les bases pour appréhender les concepts d’une simulation GEANT4 • Travailler sur des exemples (installation de machines virtuelles) • Après cette formation: • Vous serez capables d’écrire une application GEANT4 • Pour assimiler et apprendre davantage: il faut se lancer et programmer!

Programme de la formation • Jeudi 15 novembre : introduction générale à Geant4 • Vendredi 23 novembre : exploitation + visualisation • Jeudi 29 novembre : matériaux + géométrie • Jeudi 6 décembre : physique et particules • Jeudi 13 décembre : récupération des données

Éléments de Simulations monte carlo

Historique • 1733 : Buffon, expérience du lancer d’aiguilles sur un plancher, probabilité qu’une aiguille croise une ligne : estimation de π • 1886: Laplace, points aléatoires dans un rectangle pour l’estimation de π • 1930: Fermi, méthode aléatoire pour le calcul des propriétés du neutron • Années 40 : Ulam and Neumann, projet Manhattan

Définition • Méthode stochastique pour le calcul d’intégrale • Générer dans l’espace du problème, N points aléatories • Calculer pour les N points la quantité: • Calculer: • D’après le Théorème Central Limite, pour de grandes valeurs de N, approche la valeur vraie

Un exemple simple de transport de particule • Soit une particule interagissant suivant deux processus: • Absorption: section efficace totale Σa • Diffusion élastique: section efficace totale Σe, section efficace différentielle dΣe/dΩ • Transport d’une particule: • Sélectionner une distance • Transporter la particule à l’endroit de l’interaction en prenant en compte les contraintes géométriques • Sélectionner le type d’interaction • Simuler l’interaction sélectionnée: - Absorption, transport fini - Diffusion élastique, sélectionner l’angke de diffusion en utilisant dΣe/dΩ comme fonction de probabilité de densité et changer la direction de la particule • Recommencer les étapes 1-4 Histoire 1 Histoire 2 Histoire 3

Ingrédients pour la simulation du transport des particules • Générateur de nombres pseudo-aléatoires • Méthode d’échantillonnage d’une quantité à partir de fonction de densité de probabilité • Description de la géométrie • Données physiques: sections efficaces totales et différentielles • Modélisation: décrire un modèle s’approchant de la réalité avec un degré de précisions fonction des besoins (compromis rapidité des calculs/précision du résultat)

Geant4 : les bases

GEANT4? • Librairies C++ pour la simulation Monte Carlo du transport des particules dans la matière • Librairies : l’utilisateur doit construire sa propre application en C++ • Simulation GEANT4: GEometry : géométries complexes et réalistes ANdTracking : nombreuses particules, nombreux processus et modèles d’interaction • Code développé, documenté et maintenu par les membres de la collaboration GEANT4 • Code flexible et libre : tout est ouvert à l’utilisateur geant4.cern.ch

GEANT4 libre et flexible • Couvrir les besoins d’une large communauté scientifique (HEP, astrophysique, spatial, médical…) => GEANT4 fournit un ensemble de classes C++ pour décrire: • Géométrie : formes simples/complexes, réplication, divisions, XML • Physique: EM, hadronique, optique, photon/lepton-hadron, désintégration, personnalisée • L’émission des particules: types de particules, distributions spatiales/angulaires, … • La visualisation: OpenGL, QT, … • Le recueil des données: interface avec ROOT, sorties personnalisées, … • Et tant d’autres fonctionnalités à découvrir • Flexibilité et liberté => responsabilité de l’utilisateur de choisir la meilleure technique • La description d’une simulation se fait par le biais d’un programme utilisateur C++ (User Application) appelant les classes de GEANT4

Application GEANT4 • GEANT4 fournit des classes C++ : l’utilisateur écrit son application • Une application GEANT4 a pour rôle de définir une expérience pour la simulation du suivi des particules, interaction par interaction • La simulation se déroule sur quatre niveaux • Expérience: Run • Évènement: Event • Trace: Track • Étape: Step étape Expérience Évènement Trace

Expérience • Expérience : unité de plus haut niveau de la simulation • Ensemble d’évènements partageant les même conditions de géométrie et de physique • Conséquence: lors d’une expérience, l’utilisateur ne peut pas modifier la géométrie ou la physique • Une expérience  une boucle d’évènements • Une expérience démarrera avec la commande BeamOn • Au début de l’expérience , la géométrie est optimisée et les tables de sections efficaces construites • En jargon GEANT4: • Expérience = Run, représenté par un objet de la classe G4Run • La gestion d’un expérience est réalisée par la classe G4RunManager • Si l’utilisateur souhaite intervenir durant une expérience: G4UserRunAction

Évènement • Évènement = unité de base d’une simulation GEANT4 • Un évènement débute lors de la génération d’une particule primaire • Un évènement est terminé lorsque la particule primaire et les particules secondaires produites ont une énergie cinétique nulle • Terminologie GEANT4: • Évènement = Event, représenté par un objet de la class G4Event • Gestion d’un évènement: G4EventManager • Si l’utilisateur souhaite intervenir durant un évènement: G4UserEventAction

Trace • Une trace est un instantané de l’état d’une particule • La trace contient les informations physiques de la particule • La trace est supprimée quand la particule: • Sort des limites géométriques de l’expérience (World); • Disparaît (désintégration, collision inélastique); • Atteint une énergie cinétique nulle; • Est supprimée par l’utilisateur. • Conséquence: plus d’objet G4Track ne persiste à la fin d’un évènement • Terminologie GEANT4: • Trace = Track, représenté par un objet de la class G4Track • Gestion d’une trace via la classe G4TrackingManager • Si l’utilisateur souhaite interagir avec un objet G4Track: G4UserTrackingAction

Étape • Une étape est définie par deux points • Ces points sont limités par la physique, la géométrie. NB: Si l’étape est limitée par une frontière entre deux volumes, le PostStep-point est placé à la frontière mais appartien au deuxième volume. • Une étape contient les informations de la particule au cours de l’étape • Énergie perdue au cours de l’étape • Temps de vol • … • Terminologie GEANT4 • Étape = Step, représenté par un objet de la classe G4Step • Gestion d’une étape se fait via la classe G4SteppingManager • Si l’utilisateur souhaite intervenir durant une étape: G4UserSteppingAction Step Post-step point Pre-step point

Niveaux de simulation GEANT4 Expérience Nombre total particules primaires Évènement Émission 1 particule primaire Interactions physiques Transport des particules Étape Énergie cinétique nulle primaire + secondaires Fin expérience

Particules • Dans GEANT4 • Des propriétés statiques: nom, masse, charge, durée de vie,… • Une définition dynamique: moment, énergie, spin,… • Une trace : information géométrique • Terminologie GEANT4: • Une particule est définie par trois classes : G4ParticleDefinition: classe définissant les propriétés d’une particule G4DynamicParticle: classe représentant une particule individuelle G4Track: classe représentant une particule à suivre G4ParticleDefinition G4DynamicParticle G4Track Nom Masse Charge… Énergie Moment… Volume Position…

Processus • Chaque particule dispose d’un ensemble de processus (physiques) applicables que l’utilisateur décide d’utiliser ou pas • A chaque étape, tous les processus à utiliser sont interrogés. Chaque processus propose une distance à la prochaine interaction. Le processus qui propose la distance la plus courte aura lieu et limitera l’étape. • L’interaction d’une particule avec une frontière géométrique ou un champs se fait par un processus à part entière, le processus Transportation

Suivi des particules • La gestion du suivi des particules, Tracking, est indépendant • Du type de particule; • De la physique. • Le tracking a pour rôle de donner la chance à tous les processus: • De limiter la taille de l’étape; • De modifier les quantités physiques de la trace; • De créer les particules secondaires; • De suspendre, de reporter ou tuer une trace.

Seuils de production • Dans GEANT4 toutes les particules sont suivies jusqu’à ce que leur énergie cinétique soit nulle. • Par défaut, GEANT4 ne propose pas un seuil de coupure. Si l’utilisateur désire un seuil de coupure, il faut le coder (par exemple, tuer une trace en dessous d’une certaine énergie) • GEANT4 propose par défaut un seuil de production : le cut Seuil de production élevé Seuil de production bas

Extraire des données • Une expérience GEANT4 incluant la géométrie, la physique, la génération des particules primaires ne produit AUCUNE sortie • L’utilisateur DOIT donner du code pour enregistrer les données qu’il désire! • La récupération de données est le scoring • 2 méthodes s’offrent à l’utilisateur: • Utilisation des classes de base fournies pour intervenir aux différents niveaux de simulation : G4UserRunAction, G4UserEventAction,… • Utilisation de classes dédiées à la récupération des données

Les unités • GEANT4 dispose de son système d’unité, utilisation transparente pour l’utilisateur: • Code plus clair • Conversions simples • Moins de sources d’erreurs • La plupart des unités sont accessibles mais l’utilisateur peut définir ses propres unités. • Pour coder une grandeur, multiplier sa valeur par son unité: diameter = 50.0*cm; kineticE = 1.0 *GeV; • Pour récupérer une valeur, diviser la valeur par l’unité appropriée. Dans le cas précédent: diameter/m retourne 0.5 kineticE/MeV retourne 1000

Code utilisateur pour une application geant4

Les états d’une simulation GEANT4 PreInit • 6 états possibles • PreInit La géométrie, la physique ont besoin d’être initialisés • Idle Prêt pour l’expérience • GeomClosed Géométrie optimisée, prêt à lancer la boucle d’évènements • EventProc Un évènement est en cours • Quit Fin normale de la simulation • Abort Erreur: fin anormale initialize Idle beamOn exit GeomClosed Run(event loop) Quit EventProc Abort

Du côté de l’utilisateur • GEANT4 est un ensemble de classe C++, l’utilisateur DOIT écrire sa propre application ou partir d’un des nombreux exemple fourni • Écrire une application GEANT4 consiste à décrire: • La géométrie • La physique, les seuils de production • La génération des particules primaires • La façon de recueillir les données

Déroulement d’une simulation GEANT4 Programme Principal Initialisation Exécution Début expérience Géométrie Comment le détecteur doit-il être construit? Que faire au début de l’expérience? Début évènement Étape Physique Quelles particules, quels processus simuler? Que faire au début d’un évènement? Fin évènement Particules Comment générer les particules primaires? Que faire lors d’une interaction? Fin expérience Que faire à la fin d’un évènement? Que faire à la fin de l’expérience? Fermeture Code utilisateur optionnel Code utilisateur obligatoire

Les classes obligatoires : la géométrie Programme Principal Initialisation L’utilisateur DOIT créer une classe dérivée de: G4VUserDetectorConstruction donnant LA méthode: Construct() construisant la géométrie: formes géométriques, localisations, matériaux, propriétés physiques, champs électromagnétiques Géométrie Comment le détecteur doit-il être construit? Physique Quelles particules, quels processus simuler? Particules Comment générer les particules primaires?

Les classes obligatoires : la physique Programme Principal Initialisation L’utilisateur DOIT créer une classe dérivée de: G4VUserPhysicsList donnant LES méthodes permettant de : - Construire les particules à simuler: ConstructParticle() - Construire les processus physiques à prendre en compte: ConstructProcess() - Définir Les seuils de productions des particules secondaires: SetCuts() Géométrie Comment le détecteur doit-il être construit? Physique Quelles particules, quels processus simuler? Particules Comment générer les particules primaires?

Les classes obligatoires : les particules primaires Programme Principal Initialisation L’utilisateur DOIT créer une classe dérivée de: G4VUserPrimaryGeneratorAction donnant LA méthode: GeneratePrimaries(G4Event*) Décrivant comment une particule primaire doit être générée Géométrie Comment le détecteur doit-il être construit? Physique Quelles particules, quels processus simuler? Particules Comment générer les particules primaires?

Résumé des classes obligatoires Programme Principal Initialisation Géométrie DetectorConstruction:: G4VUserDetectorConstruction Comment le détecteur doit-il être construit? Construct() Physique PhysicsList:: G4VUserPhysicsList Quelles particules, quels processus simuler? ConstructParticle() ConstructProcess() SetCuts() Particules PrimaryGeneratorAction:: G4VUserPrimaryGeneratorAction Comment générer les particules primaires? GeneratePrimaries(G4Event*)

Les classes optionnelles : au niveau de l’expérience Exécution Début expérience Que faire au début de l’expérience? L’utilisateur peut créer une classe dérivée de: G4UserRunAction donnant les méthodes: BeginOfRunAction(const G4Run*) EndOfRunAction(const G4Run*) Début évènement Étape Que faire au début d’un évènement? Fin évènement Que faire lors d’une interaction? Fin expérience Que faire à la fin d’un évènement? Que faire à la fin de l’expérience? Fermeture

Les classes optionnelles : au niveau de l’évènement Exécution Début expérience Que faire au début de l’expérience? L’utilisateur peut créer une classe dérivée de: G4UserEventAction donnant les méthodes: BeginOfEventAction(const G4Event*) EndOfEventAction(const G4Event*) Début évènement Étape Que faire au début d’un évènement? Fin évènement Que faire lors d’une interaction? Fin expérience Que faire à la fin d’un évènement? Que faire à la fin de l’expérience? Fermeture

Les classes optionnelles : au niveau de l’étape Exécution Début expérience Que faire au début de l’expérience? L’utilisateur peut créer une classe dérivée de: G4UserSteppingAction donnant la méthode: UserSteppingAction(const G4Step*) Début évènement Étape Que faire au début d’un évènement? Fin évènement Que faire lors d’une interaction? Fin expérience Que faire à la fin d’un évènement? Que faire à la fin de l’expérience? Fermeture

Résumé des classes optionnelles Exécution Début expérience BeginOfRunAction RunAction:: G4UserRunAction Que faire au début de l’expérience? Début évènement EndOfRunAction BeginOfEventAction EventAction:: G4UserEventAction Étape Que faire au début d’un évènement? EndOfEventAction Fin évènement SteppingAction:: G4UserSteppingAction UserSteppingAction Que faire lors d’une interaction? Fin expérience Que faire à la fin d’un évènement? Que faire à la fin de l’expérience? Fermeture

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