1 Geant 4 ün Yapısı Hızlandırıcı Fiziğinde Kullanılan

1

Geant 4’ün Yapısı Hızlandırıcı Fiziğinde Kullanılan Geant 4 tabanlı Programlar Hakkında Bilgi G 4 Beamline G 4 MICE BDSIM Uygulama Alanları Hakkında Bilgi 2

Geant 4 (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. Geant 4 Collaboration CERN, ESA, KEK, SLAC, TRIUMF, TJNL INFN, IN 2 P 3, PPARC Barcelona Univ. , Budker. Inst. , Frankfurt Univ. , Karolinska. Inst. , Helsinki Univ. , Lebedev. Inst. , LIP, Northeastern Univ. etc. 3

Elektromanyetik Süreçler, Hadronik Süreçler, Foton/lepton-hadron Süreçleri, Optik Foton Süreçleri, Bozunum Süreçleri, Sağanak Parametrizasyonu, Ve daha fazlasını ilave edebilirsiniz. Parçacık sıfır kinetik enerjiye ulaşıncaya kadar veya bir etkileşme sonucu yok oluncaya kadar, parçacığın madde ve dış elektromanyetik alanlarla etkileşmelerini dikkate alarak 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. 4

Geant 4 17 paketten oluşur. G 4 VUser. Detector. Construction G 4 VUser. Physics. List G 4 VUser. Primary. Generator. Action G 4 User. Run. Action G 4 User. Event. Action G 4 User. Tracking. Action G 4 User. Stepping. Action 5

Geometrileri, yörüngeleri ve hit’lerin incelenmesinde hızlı yanıt sağlamak, Yayınlar için yüksek kalitede çıktı sağlamak, Karmaşık geometrilerin kontrol edilmesinde esnek kamera kullanımı, Detektor geometrilerindeki üste binen hacimlerin gözlenimi, DAWN Ray. Tracer Hep. Rep Open. Inventer Open. GL -Open. Inventer -Hep. Rep -DAWN -VRLM -Ray. Tracer -ASCIITree 6

Temel bir C++ bilgisi zorunludur, Geant 4’ü kullanmak icin bir C++ uzmanı olmak gerekmez, Nesne Yönelimli Teknoloji (Object Oriented Technology) Sadece karmaşık uygulamaların geliştirilmesinde derin bilgi gerekir, Geant 4 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: //geant 4. web. cern. ch/geant 4/ 7

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. G 4 beamline, çok farklı görünümlü demet-hatlarının ve diğer sistemlerin tasarımı ve bunların değerlendirilmesine yönelik simulasyon çalışmaları için oluşturulmuş genel amaçlı Geant 4 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. G 4 beamline çok zengin bir demet hattı elemanı dağarcığına sahiptir ve C++ programlama kullanılmaksızın hızlandırıcı fizikçileri tarafından doğrudan kullanılmak üzere geliştirilmiştir. G 4 beamline, Geant 4 tarafından desteklenen çok sayıda görselleme sürücüleri (Open. GL, VRML, Open Inventor, vb. ) kullanabilir. Hsitogramlama paketlerinden de yararlanılabilir. 8

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. 9

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 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 değerleri koyar start: demet hattının başlama konumunu ve yönünü belirler corner: Bir corner’ı merkezi-hat koordinatlarına yerleştirir cornerarc: Bir arc uzunluğuyla birlikte bir corner’ı 10 merkezi-hat koordinatlarına yerleştirir.

example 1. in Open. Inventer # example 1. in – put beam into 4 detectors physics LHEP_BIC beam gaussian particle=mu+ n. Events=1000 beam. Z=0. 0 sigma. X=10. 0 sigma. Y=10. 0 sigma. Xp=0. 100 sigma. Yp=0. 100 mean. Momentum=200. 0 sigma. P=4. 0 mean. T=0. 0 sigma. T=0. 0 # Beam. Vis just shows where the beam comes from Box Beam. Vis 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 Beam. Vis and four detectors, putting their number into their names place Beam. Vis 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# Detaylı bilgi için http: //g 4 beamline. muonsinc. com 11

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 bir cool olabilir. Doğru parametreleri bulmak için daha detaylı bir takip, gerçeğer yakın RF kavitiler ve fiziksel etkileşmeler ile kulllanıcıya kolaylık sağlayan Geant 4 tabanlı G 4 beamline programı kullanılmıştır. RF siz selonoid üçlüsü ve muon demetinin G 4 beamline Simulasyon Görüntüsü Soğuruculu Selonoid üçlü hücresi ve sinkrotron hareketi sağlayan RF G 4 beamline Simulasyon Görüntüsü Abstract A helical cooling channel (HCC) has been proposed to quickly reduce the six dimensional phase space of muon beams for muon colliders, neutrino factories, and intense muon sources. 12

9 ülkedeki 39 enstitüden 100’ün üzerinde katılımcı var. . . 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 Geant 4 pogramı olduğuna karar verilmiştir. Bu Geant 4 tabanlı geliştirilen software’e G 4 MICE adı 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 13

14

G 4 MICE, 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 ve akımlardan 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 G 4 MICE 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 G 4 MICE içerisinde kullanılan başka bir araçtır. 15

Özetle G 4 MICE Cooling kanal bileşenleri: mıknatıs coiller, rf kavitiler, LH 2 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, Sci. Fi tracker, TPG tracker, EM-calorimetry) için Hit üretilmesi (takip detektör hacimlerindeki enerji depozisasyonu) Tüm detektörler için Digitizasyon (Simulasyonu yapılmış enerji depozisayonu işlenmemiş data) Si. Fi izleyicinin kurulumu ICOOL, G 4 beamline, TURTLE a demet arayüzeyi RF-kaynaklı background için Detaylı model İz dağılımlarının (yayılım, cooling) işlenmesi için Analiz aygıtları 16

Beam. Tools- Cooling kanal elemanlarını uygulayan araçlar (coiller, kavitiler, soğurucular). Bu G 4 MICE ta kullanılmak üzere düzenlenmiş bir Fermilab paketidir. Interface- event 7 spill/run modellerinin yanısıra dosya ve database i/o kullanmak için araçlar Config- Konfigurasyon, geometri, materyaller ve kurulum verileri Calib- Detektör kalibrasyonu Eng. Model- cooling kanalı bileşenlerinin ve magnet coiller, rf kavitiler ve soğurucu alanlarının modellenmesi Det. Model- 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) Det. Resp- Detektör hit’lerinden İşlenmemiş verilerin (digits) üretilmesi 17

G 4 MICE’ı derlemek ve çalıştırmak için dış paketlere ihtiyaç vardır. CLHEP (A Class Library for High Energy Physics) Yüksek Enerji Fiziği için Sınıf Kütüphanesi GEANT 4: 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. GLS için: http: //www. gnu. org/software/gsl/ G 4 MICE detaylı bilgi için: KALMAN filter için: http: //mice. iit. edu/software/ http: //www-jlc. kek. jp/subg/offl/kaltest/ 18

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 19

Muonlar için Soğurucudaki Enerji Depozizasyonu Dağılımı Pi için Üç Sğurucudaki Enerji Depozisazyonu 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 20

ILC Compact Linear Collider (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 Geant 4 -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 Geant 4’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. 21

BDSIM, GNU C derleyicili Unix ve Mac. OS işletim sistemlerinde çalışabilen tek-parçacık takip kodudur. Geant 4, 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, k 1=0. 001 GMAD input dosyası örneği option, beampipe. Radius = 10*cm, tunnel. Radius= 2. 0*m, beampipe. Thickness = 0. 1*cm, threshold. Cut. Charged = 10*Ke. V, threshold. Cut. Photons = 10*Ke. V; ngenerate=5, turn. Interactions=1, use. EMHadronic=0, synch. Rad. On=0, stop. Tracks=0; sample, range=mexfoc; beam, particle="e-", energy=ener *Ge. V, distr. Type="guineapig_slac", distr. File="beam 1. dat"; BDSIM’in Yapısı 22

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. Çoklu Saçılma, iyonizasyon, bremsstrahlung, pozitron yok olması 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. Füzyon Gamma dönüşümü Compton Saçılması Sinklotron Işıması Muon üretimi ve transportu Nötron ve proton esnek, esnek olmayan saçılması Nötron yakalaması Radyoaktif bozunum BDSIM detaylı bilgi için EUROTe. V-Report-2006 -014 -1 BDSIM, Geant 4 ile sağlanan standart Open. GL 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. 23

Abstract The Laser-wire will be an essential diagnostic tool at the International Linear Collider. It uses a finely focussed laser beam to measure the transverse profile of electron bunches by detecting the Compton-scattered photons (or degraded electrons) downstream of where the laser beam intersects the electron beam. Such a system has been installed at the PETRA storage ring at DESY, which uses a piezo-driven mirror to scan the laser-light across the electron beam. Latest results of experimental data taking are presented and compared to detailed simulations using the Geant 4 based program BDSIM. Abstract A laserwire system within the CLIC beam delivery system is simulated using Geant 4. The issues of extracting the signal in the presence of beam-related backgrounds is addressed. 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 24 simulasyonunda da kullanılmaktadır.

Linear Collider Simulation Software http: //lcsm. org/software 25

26