Te duci la depozitul de unelte casnice şi cumperi scânduri de stejar pentru rafturile de care ai nevoie pentru pivniţă. Le transporţi acasă şi descoperi că alături de lemn sunt şi instrucţiuni nu doar de construire a bibliotecii, ci şi de cum să îţi rearanjezi întreaga pivniţă, alături de toate uneltele de care ai avea nevoie, şi de o expertiză despre cum să le foloseşti, plus o asistenţă gata să îţi ofere ajutorul şi să îţi ofere sugestii în timp ce tai şi sfredeleşti, ciocăneşti şi potriveşti.

Această metodă „descurcă-te-singur” nu e departe de felul în care fizicienii lucrează acum la facilităţile care includ şi unul dintre cele mai mari proiecte iniţiate vreodată în ştiinţă: dezvoltarea acceleratorului „International Linear Collider”. Servind ca o combinaţie de manual de instrucţiuni, de trusă de unelte şi de reţea de informaţie, GEANT4 este un pachet gratuit de programe software care simulează trecerea particulelor prin instrumentele ştiinţifice, bazându-se pe legile interacţiunii particulelor cu materia şi forţele, legi valabile pe o gamă largă de energii. Pe lângă utilizarea sa deosebit de importantă în fizica energiilor înalte numită şi fizica particulelor, scopul iniţial al său, GEANT4 a fost de asemenea aplicat la experimente de fizică nucleară, la studiile de fizică medicală, spaţială şi acceleratoare.

„Beneficiul care m-a impresionat puternic este modul în care GEANT4 poate fi folosit în tratarea tumorilor”, spune Daniel Elvira de la Fermilab. CERN (The European Particle Physics Laboratory) şi SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) sunt punctele focale ale resurselor GEANT4. Elvira coordonează o echipă GEANT4 cu efectiv restrâns, dar în creştere la Fermilab, oferind ajutor pentru utilizatorii individuali şi pentru experimentele  în colaborare de la laborator. El continuă: „Acesta e un exemplu foarte bun despre cum un instrument pentru fizică, dezvoltat în domeniul fizicii, s-a infiltrat şi în alte domenii unde este foarte folositor. Simulările sunt folosite acum în întreaga societate. Simulările permit optimizarea modelelor pentru o calitate mai bună şi costuri mai scăzute, în acelaşi fel în care se economisesc bani prin transferul de informaţie cu ajutorul internetului.”  

Construind cu obiecte

GEANT4 este conceput pentru programarea pe obiecte, atât în design, cât şi în funcţionare. Un fragment de date (un „obiect”) este încapsulat cu funcţiile sau metodele care operează asupra informaţiei respective. Cu alte cuvinte, informaţiile ştiu  ele însele cum să se proceseze când un utilizator le accesează.  Aproape prin definiţie, GEANT4 poate mânui virtual orice cerinţt de simulare, în cadrul unor limite rezonabile şi poate chiar şi în cadrul unor limite nerezonabile. „Practic vorbind, totul este un obiect: un detector, o particulă, o traiectorie de particulă, un vertex de interacţiune (n.t. punctul unde se ciocnesc două particule anihilându-se şi creând altele), un depozit de energie în detectoare”, spune Maya Stavrianakou de la Farmilab, care lucrează cu GEANT4 la CERN pentru etapele finale ale detectorului Compact Muon Solenoid pentru Large Hadron Collider.

Complexul detectorului CMS include aproape 100 de milioane de evenimente folosite pentru studiile de pregătire în fizică. Atributele şi interacţiunile unei particule dinamice pot fi regăsite şi descrise în GEANT4, cu toate instrumentele necesare şi operaţiile ataşate.                              

O vizualizare GEANT4 a detectorului CMS, care cântăreşte aproape 14 000 tone. În timp de o secundă  de funcţionare a CMS, se înregistrează un volum de date ce echivalează cu 10 000 de copii ale Enciclopediei Britanice. Mulţumiri pentru imagine colaborării CMS.

Simularea GEANT4 unui eveniment de supersimetrie (sunt vizibili leptoni şi energie transversă lipsă), unde un boson Higgs trece în doi bosoni Z şi aceştia în patru muoni în întregul detector Compact Muon Solenoid. Mulţumiri pentru imagine colaborării CMS.

Moştenirea GEANT4 

Ca şi cu orice instrument atât de valoros şi de uşor de utilizat, GEANT4 („GEometry And Tracking”) a fost ani întregi în procesul de formare, de fapt. De asemenea, reprezintă tranziţia codului ştiinţific computerizat de la limbajul FORTRAN („FORmula TRANslation”), dezvoltat de IBM în anii 1950, la C++, limbajul de programare pe obiecte, dezvoltat în anii 1980. C++ a crescut de la limbajul C dezvoltat în anii 1970 la Bell Labs pentru sistemul de operare UNIX. Softwarele precursoare ale lui GEANT4 scrise în FORTRAN datează încă de la experimentele de la CERN din anii 1980, de exemplu experimentul Large Electron-Positron (LEP) collider, dar originea propriu-zisă a GEANT4, pachetul indispensabil de acum, îşi are locul în propunerea CERN Detector Research and Development Committee din 1994, de a rescrie codul software în limbajul C++. Propunerea a fost aprobată ca RD44, pe răspunderea Comitetului CERN Large Hadron Collider.

Dar GEANT4  reprezintă o colaborare multinaţională în progres continuu la fel cum utilizarea pachetului software este larg răspândită în lume. Software-ul, încă de la început, a fost un priect independent, dezvoltat prin eforturile a mai mult de 100 de oameni de ştiinţă din mai mult de 40 de institute şi experimente din Europa, Rusia, Japonia, Canada şi Statele Unite, toate semnatare ale unui Memorandum de Înţelegere care este înnoit la fiecare doi ani. Conducerea se face prin Collaboration Board (CB), Technical Steering Board şi câteva echipe de lucru. Technical Steering Board, în frunte cu John Apostolakis de la CERN, este judecător şi juriu pentru problemele de fizică şi software, pentru cerinţele utilizatorilor şi  sugestiile pentru îmbunătăţirea soft-ului. Responsabilităţile Collaboration Board, condus de Richard Mount de la SLAC includ monitorizarea alocării resurselor.

„CB constă, în principal, în oamenii care au puterea de a aloca resursele în cadrul instituţiei lor”, explică Mount. „Când  problemele legate de resurse sunt cunoscute la CB, se permite deciziilor instituţionale să fie luate pe baza unor cunoştiinţe depline de ceea ce GEANT4 are nevoie şi ceea ce este de preferat să fie disponibil şi de la alte părţi ale colaborării.”

GEANT4 şi ILC

GEANT4 este folosit pentru a realiza planul a trei concepte de detectoare ILC (International Linear Collider) de către trei colaborări internaţionale interdependente. „Software-ul folosit în acest proces de design trebuie să furnizeze capacităţi de simulări complete pentru întregul program de fizică ILC, incluzând simulări fizice, design-uri de detectoare, şi diferite maşinării”, spune Norman Graf de la SLAC, liderul grupului de simulări al North American Detector. „Scopul este să avem un mediu de simulare folosit în toate studiile ILC care să permită  punerea în comun a detectoarelor, algoritmilor şi codurilor. Sistemul ar trebui să fie flexibil, puternic şi totodată simplu de instalat şi întreţinut.

”Planul pentru un detector trebuie să înceapă de undeva. De obicei începe cu motivaţia pentru fizică şi cu schema pe larg a unui detector. Parametrii cruciali sunt rezoluţiile la măsurarea impulsului şi unghiurilor, precum şi a cât de mari pot fi unghiurile măsurabile. Simulările interacţiunilor dintre particule din Monte Carlo generează analiza din punct de vedere fizic asupra ceea ce urmează să se întâmple înăuntrul detectorului.

„Deoarece a fost nevoie ca precizia şi performanţa detectoarelor ILC să fie mult mai ridicate decât ce era necesar pentru detectoare precedente specializate în măsurarea ciocnirilor de particule de tip general”, spune Graf, „am adoptat o metodă care permite ca mai multe detecotoare să fie simulate cu rapiditate, la un nivel rezonabil. Noi doar vom trece la design-uri foarte detaliate odată ce a fost determinat un optim general. Putem de asemenea să simulăm prototipuri de subdetectoare care sunt construite ca părţi ale detectorului procesului cercetare si dezvoltare. Aceasta permite o integrare fără cusur a rezultatelor testelor cu fasciule de particule în cadrul procesului de simulare.”

GEANT4 este folosit pentru a proiecta detectoare eficiente la nivel înalt pentru a explora fizica din evenimentele produse la ILC, cum ar fi acest răspuns simulat la e+ e- → Z(→ μ+ μ-) + higgs (→ bb). Imagine: Norman Graf

GEANT4 în spaţiu

Atât NASA, cât şi Agenţia Spaţială Europeană (ESA) beneficiază de aplicaţiile GEANT4 în proiectarea navelor spaţiale, în special pentru naveta Newton a lui ESA şi Gamma Ray Large Area Space Telescope (GLAST) a NASA, un proiect în colaborare cu Departamentul de Energie al SUA şi cu agenţii din Franţa, Italia, Japonia şi Suedia. GLAST va detecta raze gamma, adica fotoni cu energii înalte, din regiunile centrale ale obiectelor neobişnuite cum ar fi supermasivele găuri negre, pulsari şi jeturi intense de raze gamma. Lansarea este plănuită pentru august 2007.

GLAST are patru componente principale: un detector precis de traiectorii, bazat pe detectoare cu fâşii de silicon; un calorimetru, ce foloseşte bare de cesiu-iod pentru a măsura energia particulelor din razele cosmice; un sistem de achiziţionare a datelor, cu procesoare pe 32 de biţi; şi un detector anti-coincidenţă pentru a reduce bruiajul razelor cosmice de energie înalte. Practic, GLAST este un detector de particule fizice cu energie mare aflat în spaţiu, iar simulările GEANT4 sunt folosite în explorarea mediului de radiaţii.

„Datorită simulărilor electromagnetice de mare încredere, folosim GEANT4 pentru a simula semnale noaste de fotoni şi pentru a explora felul în care hadronii s-ar putea strecura înăuntrul detectorului prin crăpături sau prin partea inferioară şi cum pot apărea precum fotonii”, spune Richard Dubois de la SLAC. „Noi cerem simulări electromagnetice bune de la câţiva MeV la câteva sute de GeV”.

GEANT4 în medicină

SLAC a devenit un mare colaborator din SUA pentru fizicienii care lucrează la aplicaţiile GEANT4 în medicină, în special în terapia cu hadroni şi în brahiterapie pentru tratarea tumorilor (n.t. brahiterapia este o metodă de radioterapie a cancerului în care sursa de radiaţii este implantat?ă direct lângă sau în zona din corp care este canceroasă). Terapia prin hadroni foloseşte fluxuri externe de radiaţii cu particule grele (cum sunt protonii) şi ioni (cum este carbonul) pentru tratare cancerului, o procedură sugerată pentru prima oară de către directorul fondator al laboratorului Fermilab, Robert Rathbun Wilson, în 1946, în articolul său,  “Radiological use of fast protons” („Utilizarea radiologică a protonilor rapizi”), publicată în Radiobiology. Brahiterapia implantează aproape de zona canceroasă o sursă de radia?ţii, folosind tuburi sau catetere. GEANT4 poate simula un tratament tipic prin terapia cu hadroni şi calcula curbele de distribuţie a dozelor de protoni/ioni. El poate de asemenea calcula distribuţia în adâncime a dozei într-un anume material şi poate ilustra cele mai eficiente utilizări ale fluxului terapia cu hadroni.

Joseph Perl coordonează la SLAC eforturile pentru aplicarea în medicină a GEANT4, oferind expertize cercetătorilor medicali de la instituţiile din vecinătate, cum sunt Universitatea din Carolina, San Francisco; Universitatea din Califorina, Santa Cruz; şi Centrului Universitar Medical din Stanford, şi lucrând cu colegi la KEK în Japonia pentru dezvoltarea uneltelor adiţionale ce vin în ajutorul cercetătorilor medicali, cum ar fi simulările uşor de refolosit ale detectoarelor de doză fizico-medicali. Perl are de asemenea un rol de conducere în organizarea GEANT4 North American Medical Users Organization (G4NAMU), lansată în mai 2005. G4NAMU reuneşte comunitatea utilizatorilor GEANT4 pentru medicină în America de Nord, să pună în discuţie probleme, să împartă sfaturi, să dezvolte colaborări regionale şi să comunice ca grup cu cei care se ocupă de funcţionarea GEANT4. Prima mare reuniune, din iulie 2005, a avut loc la întâlnirea anuală a Asociaţiei Americane de Fizicieni în Medicină din Seattle.

„SLAC are una dintre cele mai mari concentrări de expertiză GEANT4 din lume”, spune Perl, „cuprinzând experţi în toate părţile GEANT4, de la hadroni şi electromagnetism până la nucleul sistemului de operare, interfaţa cu care ia contact utilizatorul, vizualizarea şi documentarea. Dar expertiza reală în aplicaţiile medicale stă în medico-fizicienii care lucrează în grupuri restrânse, în întreaga lume. Intenţia noastră de la SLAC nu e să replicăm această expertiză, ci mai degrabă să rafinăm kitul GEANT4 pentru a servi mai bine experţilor”.

Dus până la limită...

Rezolvând probleme, vizualizând mediile complexe, economisind timp, economisind efort, economisind bani, dar cât de departe poate GEANT4 duce aceste avantaje? Nu atât încât pentru a face o descoperire, spune Elvira:

„Simulările sunt partea esenţială a lucrului, dar ele nu pot să ne înveţe fizica pe care nu o ştiam deja”, spune el. „Putem învăţa cum să căutăm particulele care au anumite proprietăţi prezise de teoreticieni; de exemplu, proprietăţile bosonilor Higgs. Dar nu putem învăţa despre proprietăţile unor particule noi sau nedescoperite prin intermediul simulţrilor. Noi nu putem înlocui experimentele. Şi vom avea mereu nevoie de experimente.”

(Tradus de Anda Talpoşi din revista "Symmetry" din noiembrie 2005, originalul putând fi găsit aici, autorul fiind Mike Perricone.)