Моделирование с помощью GEANT -- основные сведения

Пакет GEANT, созданный в CERN, активно применяется для моделирования экспериментов по физике высоких энергий в лабораториях всего мира. На основе такого интенсивного использования и тестирования GEANT постоянно обновляется. В настоящий момент в большинстве научных центров используется версия 3.21.

GEANT представляет собой набор программ, на основе которых создаются программы моделирования конкретного детектора. Можно использовать GEANT в интерактивной моде, что очень удобно для отладки программы моделирования, т.к. предоставляется широкий набор возможностей визуализации детектора и треков частиц. Однако, в рабочем режиме полное моделирование детектора производится в неинтерактивной моде. Необходимо иметь головную программу, в которой последовательно вызываются следующие подпрограммы:

• GZEBRA -- инициализация системы ZEBRA [4], осуществляющей управление оперативной памятью при работе с GEANT
• GINIT -- инициализация переменных GEANT
• GFFGO -- чтение и интерпретация входных карт
• GZINIT -- инициализация распределения памяти для системы ZEBRA
• GPART -- создание структуры данных о частицах
• GMATE -- заполнение таблицы набора веществ
• UGEOM -- описание геометрии конкретной установки, задание чувствительных элементов
• GPHYSI -- подготовка таблиц сечений различных процессов и потерь энергии для всех используемых веществ
• GRUN -- цикл по моделируемым событиям
• UGLAST -- завершение работы, запись итоговых файлов

Подпрограмма GRUN, осуществляющая цикл по событиям, работает следующим образом. В начале каждого события генерируются первичные частицы, образующиеся при столкновении электрона и позитрона, и их характеристики записываются в буфер ожидания. Затем для каждой очередной частицы из буфера ожидания определяется величина перемещения. Этот шаг определяется как минимальное значение между расстоянием до границы с другим блоком, пробегом до точки взаимодействия и ограничениями шага, задаваемыми при описании веществ. В процессе перемещения разыгрываются различные физические процессы, которые могут происходить с данной частицей, и ее параметры либо соответствующим образом изменяются (например, потери энергии в результате ионизации или изменение угла вследствие многократного рассеяния), либо частица исчезает в результате взаимодействия, образуя новые частицы (например, распад). Продукты взаимодействия (вторичные частицы) также могут быть записаны в буфер ожидания для дальнейшего проведения через детектор. Проведение частицы заканчивается, когда ее энергия становится ниже пороговой для частиц такого типа. Когда все частицы из буфера ожидания будут рассмотрены, цикл переходит на следующее событие.

Пользователь имеет возможность управлять моделированием события на различных уровнях с помощью подпрограмм, вызываемых GRUN на определенных этапах, используя необходимую информацию из common блоков GEANT.

• GUKINE -- генерация кинематики события, т.е. задание точки вылета первичных частиц (вершины) и характеристик всех первичных частиц (тип частицы, три компоненты импульса). Как правило, управление первичными генераторами осуществляется с помощью стандартной карты KINE, в которой задается тип генератора и необходимые параметры. Организация такого управления индивидуальна для моделирования конкретной установки. Формат карты KINE в программе моделирования детектора КМД-2 приведен в Приложении Б.
• GUTREV -- управление моделированием события. Пользователь имеет возможность вставить необходимые действия в программу перед началом моделирования события (до вызова подпрограммы GTREVE, осуществляющей цикл по всем частицам события) и по окончании события. Как правило, перед событием инициализируются переменные, создаются банки данных с информацией о событии. В конце события вызываются программы оцифровки для чувствительных элементов детектора, заполняются выходные структуры данных.
• GUTRAK -- управление проведением одной частицы. Перед началом проведения текущей частицы доступна информация о ее исходных параметрах, которую можно записать при необходимости в банки данных моделирования. После завершения проведения частицы через детектор можно проанализировать и записать отклик систем детектора на данную частицу, причину ее гибели и т.п.
• GUSTEP -- управление перемещением (шагом) частицы в веществе. На этом уровне пользователь определяет, какие из рожденных вторичных частиц проводить далее через детектор, и с каким статусом (в определенных случаях можно присвоить рожденным частицам статус "первичных" и записывать их не только в буфер ожидания для проведения через детектор, но и сохранять о них более детальную информацию в банках данных). Кроме того, важной функцией подпрограммы GUSTEP является подготовка записей о срабатываниях чувствительных систем детектора. На уровне этой подпрограммы доступны common блоки с информацией об энерговыделении на данном шаге, других произошедших физических процессах, времени пролета частицы и т.п. Из таких данных формируются записи срабатываний (банки HITS) для систем детектора, которые по окончании события анализируются для моделирования отклика.

Одной из наиболее важных частей моделирования программой GEANT является проведение частиц через детектор, который представляет собой сильно неоднородную среду. Детектор описывается как набор блоков различных геометрических форм, каждый блок заполнен так называемой "средой", свойства которой задаются при описании детектора. Среда характеризуется не только типом вещества, но и наличием и распределением магнитного поля, ограничениями на величину перемещения.

При моделировании взаимодействия частиц с веществом GEANT учитывает следующие процессы:

• рождение e⁺e^- пар фотонами
• рождение $\delta$-электронов
• аннигиляция позитронов на лету
• тормозное излучение электронов, позитронов и мюонов
• взаимодействия адронов с ядрами
• распады частиц на лету
• ионизационные потери заряженных частиц
• многократное рассеяние
• Комптон-эффект на свободных электронах
• рассеяние заряженных частиц на электронах атомов
• фотоэффект на электронных оболочках атомов
• рассеяние мюонов на ядрах
• расщепление ядра, индуцированное фотоном
• рэлеевское рассеяние

Адронные взаимодействия могут моделироваться по выбору пользователя одной из программ моделирования адронных ливней: GHEISHA [9] или FLUKA [10,11].

Управление физическими процессами (отключение каких-либо взаимодействий, выбор способа моделирования ионизационных потерь и т.п.), так же как и установка значений пороговых энергий для проведения электронов, фотонов и адронов осуществляется с помощью стандартных карт GEANT (см. Приложение А).