Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) представили новый код, на порядки ускоряющий моделирование взрыва атомных ядер. В отличие от предыдущей версии 2008 года (Geant4 v9.2), новая модель написана на современном языке C++ и позволяет в 20 раз ускорить расчет образования легких осколков ядер после взрыва. Разработка критически важна для тяжелой ионной терапии рака и работы на Большом адронном коллайдере.
Проект был представлен на международной конференции по вычислительным методам в физике высоких энергий CHEP-2026 в Бангкоке – крупнейшем отраслевом форуме в мире. Технология уже включена в официальный релиз международной библиотеки Geant4 версии 11.4, используемой для расчетов в ядерной медицине и физике высоких энергий.
«Эта разработка критически важна для двух областей. Во-первых, для тяжелой ионной терапии рака: Geant4 широко применяется для моделирования фрагментации пучков легких ядер в тканях человека. Точный и быстрый расчет вторичных фрагментов необходим для оценки радиобиологических эффектов лечения. А во-вторых – при изучении столкновений малых систем на Большом адронном коллайдере (LHC), где недавно прошли сеансы с ядрами кислорода-16 и неона-20. Спектаторные (не участвовавшие в столкновении) фрагменты, возникающие в процессе фрагментации ядер, могут транспортироваться по кольцу ускорителя наравне с исходными ядрами», – пояснил разработчик, заместитель директора Центра научного программирования МФТИ Александр Светличный.
Практический смысл разработки раскрывается в клинике. При облучении опухоли пучком ионов углерода или кислорода часть ядер дробится на лету внутри тела пациента. Эти осколки – альфа-частицы, протоны, легкие ядра – несут непредсказуемую дозу на здоровые ткани. Новая модель от МФТИ позволяет в несколько раз быстрее рассчитать, куда именно попадут эти фрагменты, и скорректировать план терапии.
Новую модель проверили на точность, сравнив с эталонным кодом на языке Fortran, который использовался физиками-ядерщиками с 1970-х годов, и экспериментальными данными по фрагментации ядер неона. Результаты совпали. При этом физтехи полностью переписали алгоритм на современном C++, сделав его эффективнее: итоговая версия занимает в памяти меньше 25 мегабайт и работает значительно быстрее предшественницы. Для пользователей Geant4 это означает, что сложные симуляции будут завершаться быстрее без потери точности.
Соавтором работы выступил студент магистратуры кафедры «Научное программное обеспечение» МФТИ Артемий Новиков. Он написал большую часть кода модели.
«В основном тестирование модели мы проводили на кластерах Института ядерных исследований РАН. Модель проверяли на десятках тысяч событий, сравнивая старую версию на Fortran и новую на C++, а также сравнивали с данными, интегрируя новую реализацию в код модели Abrasion-Ablation Monte Carlo Colliders. Результат показал в среднем 20-кратное ускорение, достигая 300-кратного ускорения для некоторых каналов распада. Библиотекой Geant4 пользуются тысячи ученых по всему миру, и теперь их расчеты станут заметно быстрее», – прокомментировал Артемий Новиков.
На этом команда не останавливается. Разработчики Geant4 уже запросили ускорение еще одной, самой ресурсоемкой модели – статистической мультифрагментации, которая описывает распад вплоть до самых тяжелых атомных ядер. Необходимость этого связана с двумя практическими задачами.
Первая – радиационная безопасность космических полетов. Внутри корабля космонавты защищены от облучения лишь тонкой обшивкой. Тяжелые ядра космических лучей, врезаясь в нее, дробятся на вторичные осколки, которые дают дополнительную радиационную нагрузку на организм человека. Новая модель поможет точнее предсказать, какая доза при этом достанется экипажу.
Вторая – ядерная энергетика. В ускорительных установках протоны бомбардируют тяжелые мишени (например, из свинца или висмута), вызывая их дробление. Это позволяет не только получать редкие изотопы, но и «сжигать» радиоактивные отходы. По словам ученых, расчет таких процессов сейчас занимает очень много времени, и его тоже необходимо ускорять.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: captainvector / ru.123rf.com
