GEANT4'ün HIZLANDIRICI FİZİĞİNE UYGULAMALARI

1. GEANT4'ün HIZLANDIRICI FİZİĞİNE UYGULAMALARI Adnan KILIÇ, Emin N. ÖZMUTLU, İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü

2. Özet Geant4’ün Yapısı Hızlandırıcı Fiziğinde Kullanılan Geant4 tabanlı Programlar Hakkında Bilgi G4Beamline G4MICE BDSIM Uygulama Alanları Hakkında Bilgi

3. Geant4 Nedir ? Geant4 (GEometry ANd Tracking) programı Monte Carlo metodu aracılığıyla temel parçacıkların madde içerisinden geçişinin simulasyonunu yapar.Başlangıçta, yüksek enerji fiziği deneyleri için tasarlanmıştır, ancak günümüzde nükleer fizik, hızlandırıcı fiziği, medikal ve uzay bilimi gibi diğer birçok alan da kullanıma sahiptir. Geant4 Collaboration CERN, ESA, KEK, SLAC, TRIUMF, TJNL INFN, IN2P3, PPARC Barcelona Univ., BudkerInst., Frankfurt Univ., KarolinskaInst., Helsinki Univ., LebedevInst., LIP, Northeastern Univ. etc.

4. Geant4 Parçacık madde etkileşmeleri için çok sayıda fizik modeli sağlar: Elektromanyetik Süreçler, Hadronik Süreçler, Foton/lepton-hadron Süreçleri, Optik Foton Süreçleri, Bozunum Süreçleri, Sağanak Parametrizasyonu, Ve daha fazlasını ilave edebilirsiniz. Geant4 Ne Yapar ? Kullanıcı Ne Yapmalıdır ? Parçacık sıfır kinetik enerjiye ulaşıncaya kadar veya bir etkileşme sonucu yok oluncaya kadar,parçacığın madde ve dış elektromanyetik alanlarla etkileşmelerini dikkate alarak adım adım parçacğın taşınımını yapar.Taşınımın başında,sonunda taşınımdaki her bir adımın bitiminde, parçacık, detektörün duyar hacmine girdiği durumda,kullanıcının taşınım sürecine erişmesine ve simulasyon sonuçlarını almasına olanak sağlar. Bunlar “Kullanıcı Eylemleri (User Actions) “ olarak adlandırılır. Detektorun geometrik bilgisi, Fizik süreçlerinin seçimi, Detektöre giren parçacıkların kinematik bilgisi, Bunların yanısıra; Manyetik ve elektrik alan, Parçacık taşınımına eriştiğiniz zaman almayı istediğiniz eylemler, Parçacık detektörün duyar hacmine girdiğinde almayi istediğiniz eylemler, vb.

5. Geant4 17 paketten oluşur. Kullanıcı Sınıfları (User Classes) Zorunlu Sınıflar (Mandatory Classes) G4VUserDetectorConstruction G4VUserPhysicsList G4VUserPrimaryGeneratorAction Eylem Sınıfları (Action Classes) G4VUserPrimaryGeneratorAction G4UserRunAction G4UserEventAction G4UserTrackingAction G4UserStackingAction G4UserSteppingAction

6. Geant4'te Görsellemenin Önemi Geometrileri, yörüngeleri ve hit’lerin incelenmesinde hızlı yanıt sağlamak, Yayınlar için yüksek kalitede çıktı sağlamak, Karmaşık geometrilerin kontrol edilmesinde esnek kamera kullanımı, Detektor geometrilerindeki üst üste binen hacimlerin gözlenimi, HepRep OpenInventer Geant4 beraberinde 7 tane görselleme sürücüsü getirir: OpenGL -OpenInventer -HepRep -DAWN -VRLM -RayTracer -ASCIITree DAWN RayTracer

7. Geant4'ü kullanmak için minimum software bilgisi Geant4 aşağıdaki işletim sistemleri altında desteklenir Temel bir C++ bilgisi zorunludur, Geant4’ü kullanmak icin bir C++ uzmanı olmak gerekmez, Nesne Yönelimli Teknoloji (Object Oriented Technology) Sadece karmaşık uygulamaların geliştirilmesinde derin bilgi gerekir, Geant4 te Linux satandart bir çalışma çevresidir, bu nedenle Unix komutunun nasıl kullanılacağına ve bir C++ kodunun nasıl derleneceğine dair az bir bilgi yeterlidir. Linux (g++) Unix Windows/XP (Microsoft Visual C++) detaylı bilgi için http://geant4.web.cern.ch/geant4/

8. Muons, Inc Şirket muon demet cooling için yeni düşünceler keşfetmek ve konuyla ilgili teknolojileri geliştirmek için, Fermilab, Jefferson Lab, ve Illinois Teknoloji Enstitüsü (ITT) ortaklığıyla oluşturulmuştur. G4beamline Muons, Inc. G4beamline, çok farklı görünümlü demet-hatlarının ve diğer sistemlerin tasarımı ve bunların değerlendirilmesine yönelik simulasyon çalışmaları için oluşturulmuş genel amaçlı Geant4 tabanlı bir tek-parçacık programıdır. Bu programla, hem EM alan hem de madde içerisinde, doğru ve gerçekçi bir şekilde parçacık taşınımı simulasyonları yapılabilir. Bu onu özellikle, muon çarpıştırıcısı ve nötrino fabrikası tasarımı incelemeleri için uygun hale getirmiştir. G4beamline çok zengin bir demet hattı elemanı dağarcığına sahiptir ve C++ programlama kullanılmaksızın hızlandırıcı fizikçileri tarafından doğrudan kullanılmak üzere geliştirilmiştir. G4beamline, Geant4 tarafından desteklenen çok sayıda görselleme sürücüleri (OpenGL, VRML, Open Inventor, vb.) kullanabilir. Hsitogramlama paketlerinden de yararlanılabilir.

9. G4beamline Yapısı Simulasyonun temel yapısı ilk olarak, kullanılacak demet elemanlarının (mıknatıslar, RF kaviti vb.) geometrilerini, yapıldıkları maddeleri ve lokal alanlarını tanımlamak ve sonra bu elemanları world’e (tüm geometriyi saran hacime) yerleştirmektir. Herbir eleman, konuma, rotasyona ve kendisine ait bir alan değerine sahip olabilir. Bu elemanlar için parametreler bir ASCII (American Standard Code for Information Interchange)input dosyasında veya komut satırında bulunabilir. Simulasyon tüm ayrıntılarıyla bir ASCII input dosyasında yer alır: -Geometri -Giriş demeti (Input Beam) -Fizik süreçleri -Program kontrol parametreleri -Çıkış Ntuple’ların üretilmesi Input dosyası argumanlarıyla birlikte bir komutlar dizisinden oluşur Her bir komut kendi arguman listesine sahiptir Komut ve argumanlar ayrıntılı olarak yazılır, yani input diğer bir şahıs tarafından kolaylıkla anlaşılabilen bir simulasyon kaydı olur.

10. Simulasyon kontrol parametreleri Kullanılabilen demet elemanları beam: gelen demeti belirler (bir dosyadan veya gelişi guzel olarak üretilir) reference: bir referans parçacık belirler place: önceden tanımlanmış olan nesneyi simulasyona yerleştirir material: yeni bir materyalin özelliklerini belirler geometry: nesnelerin geçersiz kesişmelerinin tespiti için geometric testler yapar param: program için veya input dosyası için parametreler tanımlar particlecolor: parçacık tiplerinin görüntülenme renklerini belirler particlefilter:tip veya momentum v.b ile parçacıklar üzereine bir filtre uygular. physics: fizik süreçlerini tanımlar ve onları control eder trackcuts:İzlerin üzerine belirli kesilim değerlerikoyar absorber : Biçimli güvenlik kaplı ve güvenlik pencereli bir soğurucu material box : kutu biçimindeki bir material corner: büküm veya ikincil hedef için merkezi koordinatları döndürme cosmicraybeam: bir kozmik ışın muon demeti fieldmap: E ve/veya B için bir dosyadan alan haritasını okur genericbend: genel bir bükücü mıknatıs genericquad: genel bir kuadripol mıknatıs helicaldipole: 6-D muon cooling için bir sarmal dipol mıknatıs idealsectorbend: bir sector bükücü mıknatıs pillbox: opsiyonel pencereleri içeren bir pillbox RF cavity polycone: Çoklu koni biçimindeki bir material solenoid: tek bir halka mıknatıs sphere: küre biçimindeki bir materyal trap: ikiz kenar yamuk biçimindeki bir material tubs: silindir veya boru biçindeki bir materyal virtualdetector: demeti görüntülemek için kusursuz bir detektör Demet hattı yerleştirme komutları start: demet hattının başlama konumunu ve yönünü belirler corner:Bir corner’ı merkezi-hat koordinatlarına yerleştirir cornerarc:Bir arc uzunluğuyla birlikte bir corner’ı merkezi-hat koordinatlarına yerleştirir.

11. OpenInventer Detaylı bilgi için example1.in # example1.in – put beam into 4 detectors physics LHEP_BIC beam gaussian particle=mu+ nEvents=1000 beamZ=0.0 \ sigmaX=10.0 sigmaY=10.0 sigmaXp=0.100 sigmaYp=0.100 \ meanMomentum=200.0 sigmaP=4.0 meanT=0.0 sigmaT=0.0 # BeamVis just shows where the beam comes from Box BeamVis width=100.0 height=100.0 length=0.1 color=1,0,0 # define the detector (used 4 times) detector Det radius=1000.0 color=0,1,0 # place BeamVis and four detectors, putting their number into their names place BeamVis z=0 place Det z=1000.0 rename=Det# place Det z=2000.0 rename=Det# place Det z=3000.0 rename=Det# place Det z=4000.0 rename=Det# http://g4beamline.muonsinc.com

12. G4Beamline UYGULAMA Küçük yayılımlı bir muon demetiyle, daha yüksek bir çarpıştırıcı ışıması elde edebilmek için, daha iyi bir iyonlaşma cooling’i sağlayan bir teknik geliştirilmektedir. Bir muon demeti başlangıçta cool edildikten sonra, parametrik rezonanslı bir periodik örgü kullanılması da diğer diğer bir cool olabilir. Doğru parametreleri bulmak için daha detaylı bir takip, gerçeğer yakın RF kavitiler ve fiziksel etkileşmeler ile kulllanıcıya kolaylık sağlayan Geant4 tabanlı G4beamline programı kullanılmıştır. RF siz selonoid üçlüsü ve muon demetinin G4beamline Simulasyon Görüntüsü Soğuruculu Selonoid üçlü hücresi ve sinkrotron hareketi sağlayan RF G4beamline Simulasyon Görüntüsü Abstract A helical cooling channel (HCC) has been proposed toquickly reduce the six dimensional phase space of muonbeams for muon colliders, neutrino factories, and intensemuon sources.

13. 9 ülkedeki 39 enstitüden 100’ün üzerinde katılımcı var... G4MICE Proton Sürücüsü MICE (The International Muon Ionization Cooling Experiment ) işbirliğinde amaç, muonların iyonlaşma cooling’ini gözlemlemek, demet dinamiklerini benzeri görülmemiş bir biçimde ölçmek ve sonuçları simulasyonlarla karşılaştırmaktır. Deneyde, muon demetini enine bir şekilde tutmak için selonoidler, demeti cool etmek için sıvı Hidrojen soğurucular, demeti yeniden hızlandırmak için ise RF kavitiler kullanılır.Parçacık detektörleri, cooling kanalında yer alan demet taşınım elemanlarının (soğurucular, selonoid, mıknatıslar ve RF kaviteler) ve Muon Demet Hattı’nın (kuadrupol mıknatıslar) içlerine konulduğundan, tüm elemanları gerçekçi bir şekilde modelleyen bir Monte Carlo iskeletini kullanmak gerekecektir. Bunun sonucunda, MICE software projesini kurmak için en uygun aracın guncel fizik modellerinin yanısıra, karmaşık geometrileri destekleyen fonksiyonelliğe sahip, esnek ve genişletilebilir olan CERN kaynaklı Geant4 pogramı olduğuna karar verilmiştir. Bu Geant4 tabanlı geliştirilen software’e G4MICEadı verilmiştir. Muon Iyonizasyon Cooling Deneyinde (MICE) muonlar, bir muon iyonizasyon cooling örgüsü hücresi içerisine ateşlenecektir. Deneysel sonuçlar gelecekte kurulacak olan bir Nötrino Fabrikasının cooling kanalını optimize etmek için kullanılacaktır. Hedef Nötrino Fabrikası

15. G4MICE Özellikleri G4MICE, deneyin tüm elemanlarını içerir. Detektör sistemleri, fizik süreçleri , yeniden inşaa ve analiz algoritmaları için input demeti, magnet örgüsü, RF sistemi,soğurucular, geometri, materyaller ve elektroniğini içeren simulasyon zincirinin detaylarını kullanıcının ayarlamasına imkan verir. Materyelleri ve magnetik alanları içeren Magnetler modellenir ve coil geometrisi veakımlardan magnetik alanlar hesaplanır. Parçacıklar, RF kavitelerinin zamana bağlı elektromagnetik alanı içerisinde takip edilir ve takipte tüm ilgili fizik süreçleri içerilir. Sıvı-Hidrojen soğurucu kabı ve pencereler gerçek biçim ve kalınlıklarıyla modellenir. Geometri ve materyaller tüm detektörler için detaylı şekilde uygulanır. Merkezi MICE detektörlerinin ve cooling aygıtının G4MICE ile görsellenmesi. Uçuş zamanı detektörleri sarı renkte, takip detektörü bileşenleri koyu kırmızı renkte, magnet gövdeleri mavi renkte, soğurucu windowslar turkuaz (yeşile çalan mavi) renkte ve elektron muon kalorimetre yeşil renkte gösterilmiştir. Uçuş zamanı detektörleri arası mesafe 13.2 metredir. ROOT simulasyon sonuçlarının işlenmesi ve analizleri için, şu anda G4MICE içerisinde kullanılan başka bir araçtır.

16. Özetle G4MICE Coolingkanal bileşenleri: mıknatıscoiller, rf kavitiler, LH2 soğurucular Takip ve PID detektörler ve onları içeren demet hattı parçası Tüm bileşenler için Geometry/Materialler Mıknatıs ve kavitilerin elektromagnetik alanında takip Tüm detektörler (TOF’s, CKOV’s, SciFi tracker, TPG tracker, EM-calorimetry) için Hit üretilmesi (takip detektör hacimlerindeki enerji depozisasyonu) Tüm detektörler için Digitizasyon (Simulasyonu yapılmış enerji depozisayonuişlenmemiş data) SiFiizleyicinin kurulumu ICOOL, G4beamline, TURTLE a demet arayüzeyi RF-kaynaklı backgroundiçin Detaylı model İzdağılımlarının (yayılım, cooling) işlenmesi için Analiz aygıtları

17. G4MICE YAPISI BeamTools- Cooling kanal elemanlarını uygulayan araçlar (coiller, kavitiler, soğurucular). Bu G4MICE ta kullanılmak üzere düzenlenmiş bir Fermilab paketidir. Interface- event7spill/run modellerinin yanısıra dosya ve database i/o kullanmak için araçlar Config- Konfigurasyon, geometri, materyaller ve kurulum verileri Calib- Detektör kalibrasyonu EngModel- cooling kanalı bileşenlerinin ve magnet coiller, rf kavitiler ve soğurucu alanlarının modellenmesi DetModel- Detektörlerin Modellenmesi Recon-Tüm detektörler için Yeniden İnşaa Analysis- Yayılımın hesaplanması ve fizik analizleri için diğer aygıtlar Simulation-tüm fizik süreçlerini içeren detektörler içerisinde geçen parçacıkların üretilmesi ve takipi (demet ve background) DetResp- Detektör hit’lerinden İşlenmemiş verilerin (digits) üretilmesi

18. GLS için: http://www.gnu.org/software/gsl/ G4MICE detaylı bilgi için: http://mice.iit.edu/software/ KALMAN filter için: http://www-jlc.kek.jp/subg/offl/kaltest/ G4MICE’ı derlemek ve çalıştırmak için dış paketlere ihtiyaç vardır. CLHEP (A Class Library for High Energy Physics) Yüksek Enerji Fiziği için Sınıf Kütüphanesi GEANT4: Yüksek Enerji Fiziği Simulasyon Aygıtı GSL (The GNU Scientific Library):Matematiksel işlemler için (özel fonksiyonlar vb.) ROOT: Yüksek Enerji Fiziği Analiz Aygıtı KALMAN FILTER PACKAGE: Kalman Filter Projesi aracılığıyla optimal takip parametrelerinin hesabı için. G4MICE

19. G4MICE UYGULAMA MICE Soğrucularda ve Coil’lerde Enerji Soğurulması Magnet Coil’lerde ve Hidrojen Soğurucularda ne kadar enerji soğurulduğunun tahmini.. Depolanan enerjinin demetin ilgilendiğimiz kısmından gelip gelmediğinin incelenmesi RF kaynaklı elektron ve fotonlar Dağıtıcı 1 in hemen arkasında bulunan TOF 1 den alınan, Dağıtıcı 1 deki Momentum Dağılımları Px Pz

20. Pi için Üç Sğurucudaki Enerji Depozisazyonu Dağılımı Muonlar için Soğurucudaki Enerji Depozizasyonu Dağılımı Muonlar için Radyal Enerji Depozizasyon Dağılımı Soğurucu 1 deki Boyuna (z doğrultundaki) Enerji Depozizasyon Dağılımı Magnet Coil’lerdeki Enerji Depozisazyonu RF kavitelerden gelen background’un incelenmesi

21. ILC BDSIM Compact LinearCollider (CLIC), ve International Linear Collider (ILC)’in demet dağıtım sistemlerinin background’ları, kolimasyon sistemleri, performans ve benzeri problemlerinin incelenmesinde, demetin materyelle etkileşmesinin, birincil demetin takibinin ve demet-hattı etkileşmeleriyle üretilen ikincil parçacıkların simulasyonlarının yapılmasına gereksinim duyulur. Beam Delivery System Simulation (BDSIM) bu amaçla, hızlandırıcı demet-hatlarının kolaylıkla modelleyebilmek için tasarlanan Geant4-tabanlı bir simulasyon aygıtıdır. BDSIM, demet-hattı boyunca ve detektör bölgesindeki background ve ikincil etkilerin simulasyonunda etkin bir sistem sağlamak için hızlandırıcı bileşenleri içerisinde fast hızlandırıcı sitili takibini, geleneksel Runge-Kutta takip yöntemleriyle birleştirmiştir. BDSIM kodu, her bir demet-hattı elemanını oluşturmak için Geant4’ü kullanır. Bir nesne yönelimli yaklaşım kullanarak, her bir demet-hattı elemanı, kendine has dış geometriye, demet hattına ve magnetik alanları olan ayrı birer nesne olarak kurulur.

22. BDSIM, GNU C derleyicili Unix ve MacOS işletim sistemlerinde çalışabilen tek-parçacık takip kodudur.Geant4, bir fizik süreçleri takımı ve geometri oluşturma biçimi olarak genel bir çalışma iskeleti sağlar. Başlangıçta, demet-hattının kendi dış geometrisi ve magnetik alanlarının tanımlandığı MAD optics input dosyası kullanılabiliyordu, şimdi BDSIM’in en son versionunda ayrıca material, demet parametreleri, süreçler ve kesin örnekleme konumu (the sample position) gibi özelliklerin yer alabildiği GMAD (Geant MAD) formatında input dosyası hazırlanabilmektedir. MAD input dosya örneği rbend, l= 5.5, angle=0.001 drift, l=2. quadrupole, l=1.5, k1=0.001 GMAD input dosyası örneği option, beampipeRadius = 10*cm, tunnelRadius= 2.0*m, beampipeThickness = 0.1*cm, thresholdCutCharged = 10*KeV, thresholdCutPhotons = 10*KeV; ngenerate=5, turnInteractions=1, useEMHadronic=0, synchRadOn=0, stopTracks=0; sample,range=mexfoc; beam, particle="e-", energy=ener *GeV, distrType="guineapig_slac", distrFile="beam1.dat"; BDSIM’in Yapısı

23. BDSIM detaylı bilgi için EUROTeV-Report-2006-014-1 BDSIM Takip BDSIM Süreçler BDSIM, demet hattı içerisinde takip için yeni bir yaklaşım kullanır, yerel olarak tanımlanmış magnetik alanları kullanarak takip yapmaktan ziyade, hareket denkleminin analitik çözümünü kullanır. Örneğin ideal bir kuadripol alanında hareket eden bir parçacık,analitik çözümü olan bir hareket denklemine sahip olur, Geant normalde bir magnetik alanda her bir step için çözüm yapmakta olduğundan doğrudan bu çözüm kullanıldığında önemli bir zaman kazancı elde edilir. Karmaşık magnetik alan durumlarında ise tam bir alan haritası dosyaları kullanılır. BDSIM’in en son versionunda bu fonksiyonellik mevcuttur. Hızlandırıcı sitili takip uygulaması, atanan “stepper” lar aracılığıyla yapılır. Bu, uygulamada her bir logical hacime kendi stepper’ını atmakla yapılır, böylece parçacık o hacim içerisine girdiğinde ilgili hacmin stepper’ını alır, bu sırasıyla parçacığın nasıl taşınacağını belirler. Çoklu Saçılma, iyonizasyon, bremsstrahlung, pozitron yok olması Gamma dönüşümü Compton Saçılması Sinklotron Işıması Muon üretimi ve transportu Nötron ve proton esnek, esnek olmayan saçılması Nötron yakalaması Füzyon Radyoaktif bozunum BDSIM Görselleme BDSIM, Geant4 ile sağlanan standart OpenGL görselleme iskeletini kullanır. Bir simulasyon çıktısı, enerji depozizasyon ntuple’ları ve demet-hattındaki belirli yerlerde örneklenen parçacık dağılımları, bu bilgi bir ASCII dosya veya bir ROOT formatı sağlanır.

24. Abstract The Laser-wire will be an essential diagnostic tool at theInternational Linear Collider. It uses a finely focussed laserbeam to measure the transverse profile of electron bunchesby detecting the Compton-scattered photons (or degradedelectrons) downstream of where the laser beam intersectsthe electron beam. Such a system has been installed at thePETRA storage ring at DESY, which uses a piezo-drivenmirror to scan the laser-light across the electron beam. Latestresults of experimental data taking are presented andcompared to detailed simulations using the Geant4 basedprogram BDSIM. Abstract A laserwire system within the CLIC beam delivery systemis simulated using Geant4. The issues of extractingthe signal in the presence of beam-related backgrounds isaddressed. Simulation of Secondaries for the Linear Collider Designe of Extraction Line Optics for the ILC Interaction Regions with 20 mrad and 2 mrad Crossing Angles BDSIM, laser-wires ve enerji spektrometrelerini içeren çeşitli demet diagnostik sistemlerinin simulasyonunda da kullanılmaktadır.

25. Diğer Geant4 Tabanlı Programlar SLIC (Simulator for the Linear Collider) LCDG4 (Linear Collider Detector Geant4) Mokka (Full Detector Simulation Framework for ILC) Linear Collider Simulation Software http://lcsm.org/software

26. KATILIMLARINIZ İÇİN TEŞEKKÜRLER...