Título: Simulación por Cuantización de Estados en Física de Altas Energías: Un Estudio de Nuevos Integradores para el Simulador Geant4
Director: Lucio Santi
Co-director: Rodrigo Castro
Jurados: Pablo Turjanski (Dpto. de Computación) y Gustavo Otero y Garzón (Dpto. de Física)
Resumen:
Las simulaciones computacionales en física de altas energías (FAE) consisten en reproducir las trayectorias de partículas subatómicas sometidas a procesos físicos a medida que se desplazan por un detector (típicamente modelado mediante geometrías complejas compuestas por volúmenes 3D adyacentes de variadas formas y materiales). Los modelos resultantes tienen la particularidad de ser sistemas dinámicos que están constantemente expuestos a discontinuidades a medida que las partículas cruzan de un volumen al siguiente.

Geant4 es el simulador más usado a nivel mundial en esta disciplina. Esta herramienta ofrece métodos de integración numérica basados en discretización temporal, los cuales no están naturalmente preparados para lidiar de forma eficiente con esta clase de discontinuidades espaciales. El proceso de integración debe ser interrumpido sistemáticamente para poder calcular los instantes de los cruces a través de otros algoritmos iterativos que introducen costos computacionales adicionales.

Entre tanto, existe otra clase de métodos numéricos modernos que discretizan el estado del sistema, dejando al tiempo fluir de forma continua. La familia de métodos Quantized State System (QSS) es un ejemplo de estos. QSS exhibe propiedades muy atractivas para la problemática en cuestión –en particular, un manejo y detección eficiente de discontinuidades sustentado por la resolución de funciones polinomiales simples.

En trabajos anteriores se ha comprobado el potencial de QSS para simular modelos típicos de FAE, particularmente aquellos en los que la intensidad de los cruces de volúmenes es elevada. En función de estos hallazgos, se ha propuesto una interfaz de co-simulación entre Geant4 y otros simuladores externos –en particular, QSS Solver, la implementación por excelencia de los métodos QSS– con el objeto de delegar las tareas de transporte de partículas propias de Geant4. Si bien se ha demostrado que esta estrategia es metodológicamente correcta, su concepción inherentemente genérica no permite explotar al máximo los beneficios de los métodos QSS.

En esta Tesis profundizamos estos resultados proponiendo una nueva estrategia de simulación basada en un integrador QSS autónomo embebido en el ecosistema de integración numérica de Geant4. Contrastamos su desempeño frente a los integradores más relevantes de la herramienta en el contexto de distintos escenarios, incluyendo un caso realista que modela el detector de partículas CMS ubicado en el CERN. Comprobamos que el integrador puede ofrecer mejoras de rendimiento en situaciones variadas, en particular cuando se manifiesta una alta actividad de cruces geométricos.