THE GEANT4-INFN COLLABORATION Status and …...l CERN, INFN, KEK, SLAC, TRIUMF l ESA, Lebedev, IN2P3...

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THE GEANT4-INFN COLLABORATION

Status and perspectives

G.Cuttone INFN-LNS Catania

On behalf of the GEANT4-INFN Group

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GEANT4GEANT4

OO toolkit per la simulazione dirivelatori in fisica delle alte energie dellaprossima generazionel ...e della generazione attualel ...e non solo di alte energiel fisica nucleare, ioni pesanti, acceleratori,scienze spaziali, fisica medica etc.

Esperienza di produzione e gestione di softwaredistribuito in una collaborazione internazionale,con partecipazione da vari esperimenti, laboratori eistitutiEsperienza di applicazione di metodi di softwareengineering e di tecnologie Object Orientedall’ambiente HEP


GEANT4GEANT4

Approvato come R&D a fine ‘94] Obiettivi a fine ‘95l metodologia OO, problem domain, OOA&D completol prototipo di tracking, performance] Obiettivi a primavera ‘97l α-release con la stessa funzionalità di Geant 3.21l persistenza (hits), ODBMSl trasparenza di modelli fisici per gli utenti] Obiettivo a luglio ‘98l primo β-release pubblico] Obiettivo a fine ‘98l production release: Geant4.0Ł Tutti gli obiettivi temporali e i requirements sonostati rigorosamente rispettati da RD44] Riconfigurazione successiva alla fase R&Dl Collaborazione internazionale Geant4 dal 1/1/1999l Gestione della fase di produzionel Sviluppo e R&D anche nella fase di produzione


LE COMPONENTI DI GEANT4LE COMPONENTI DI GEANT4

Codicel versione di produzionel versione R&Dl circa 1M linee di codice, 2000 classil disponibile su web come tar files] Documentazionel Guida introduttival 5 manualil disponibile su web, continuamente aggiornata] Esempil distribuiti come il codicel sofisticato sistema di navigazione su web dalladocumentazione al codice degli esempi] MoUl organizzazione della gestione e sviluppo di Geant4,del servizio di produzione e del supporto utenti


Gestisce distribuzione, sviluppo e servizio utenti] Partecipano esperimenti, laboratori, istituti cheprocurano almeno 2 Contribution Unitsl Atlas, BaBar, CMS, LHCB, IGDl CERN, INFN, KEK, SLAC, TRIUMFl ESA, Lebedev, IN2P3l Common (membri sotto soglia)l altre partecipazioni in corso di definizione] Collaboration Boardl Gestisce le risorse e le responsabilitàl Decide l’ammissione di nuovi collaboratoril Chairman Y. Watase (KEK Computing Director)] Technical Steering Boardl È il forum dove le questioni tecniche e scientifichesono discusse, decise e ordinate in prioritàl Gestisce il Production Service e lo User Supportl Chairman J. Allison (Univ. of Manchester & CERN, BaBar)] Working Groupsl Eseguono sviluppo, supporto, manutenzione, QA, testl Ogni collaboratore è affiliato ad un Working Group

LA COLLABORAZIONE GEANT4LA COLLABORAZIONE GEANT4


È definita dal MoU] Production servicel Manutenzione del codice e della documentazionel Sviluppo] User supportl Consulenzal Analisi di problemi concernenti il codice e relativo aiutol Studio di comportamenti anomalil Richiesta di nuovi sviluppi+ Solo i membri di istituti, laboratori,esperimenti partecipanti allaCollaborazione Geant4 hanno garantitiProduction Service e User Support per gli altri solo codice, librerie e documentazionepubblici e supporto sulla base di ‘best effort’

LA GESTIONE DI GEANT4LA GESTIONE DI GEANT4


Gestione dello User supportl http://wwwinfo.cern.ch/asd/geant/geant4_public/support.htmll Attraverso interfacce automatiche su web per comunicazioni di bachi edocumentazionel Attraverso interfacce umane, quando necessario] Come funziona?l Tutte le richieste di sviluppo, consulenza e analisi di problemi sono incanalateattraverso il rappresentante nel TSB del proprio esperimento o lab/istitutol Il rappresentante nel TSB mette l’utente in contatto con gli esperti appropriatial problemal Il rappresentante presenta al TSB le richieste di nuovi sviluppi e i problemidella propria comunià di utentil Il TSB decide sulle richieste e determina le prioritàl Il rappresentante nel TSB comunica l’esito dellerichieste ai propri utenti] E se non si è rappresentati nel TSB?l Ci si rivolge ad un qualsiasi membro del TSBl Il TSB tratta la richiesta a priorità minima, sulla base di ‘best effort’l Nessuna garanzia che la richiesta sia presa in considerazione, e tanto menosoddisfatta

IL SUPPORTO DEGLI UTENTIIL SUPPORTO DEGLI UTENTI


IL RUOLO DEI FISICI INFNIL RUOLO DEI FISICI INFN

Rappresentante OB:Rappresentante TSB:

Advanced Examples WG coordination

SB Representative Hadronic WG

SB Representative LowE WG

INFN interest: CMS, Atlas (Comm. 1) TS

Astro Particle Physics LNGS,TS, Ge

Heavy ion reaction LNS, TO, PI

Medical Physic GE,LNS, ISS, TO, PI

Spatial Radioprotection: GE, ISS, LNS


Diritto al Production Service e User Support per tutti i fisici INFN, per tutti gliesperimenti e progetti di interesse per l’INFN] Possibilità di contribuire alle decisioni tecniche e scientifiche dellaCollaborazione Geant4l linee di sviluppol prioritàl tutela degli interessi delle attività INFN] Acquisizione di competenze tecnologiche avanzate, che possono esseretrasferite alla comunità INFN] Acquisizione di competenze specifiche di simulazione con Geant4l utili per applicazione negli esperimenti di appartenenzal nucleo di esperti per training e consulenza allacomunità INFN] Interesse intrinseco di partecipazione ad un rilevanteprogetto internazionale, di alto contenuto tecnologicoe fondamentale per gli esperimenti della nuovagenerazione] Pubblicazioni

I BENEFICI PER LI BENEFICI PER L’’ INFN INFN


Commissione Calcolo fino al 2005

Commissione V dal 2006 ad oggi.

Cambio della responsabilità nel 2008 a seguito diconfronto interno alla collaborazione.

Obiettivo: Geant4 per le esigenze di fisica dell’INFN.

IL GRUPPO INFN - GEANT4IL GRUPPO INFN - GEANT4


• LNS, Genova, Roma 1, Gran Sasso, Trieste– ~10 fisici– Low Energy Electromagnetic Physics, Advanced Examples e Hadronic WGs

• Architettura, Software Process, Validazione, User Support, sviluppo

• Supporto delle esigenze degli esperimenti INFN nella Collaborazione

• Riferimento nella comunità INFN– Esperienza di Geant4– Esperienza di metologie avanzate di software engineering (software process)

• Riferimento a livello internazionale– Fisica di basse energie– Esperimenti di astroparticelle / applicazioni spaziali– Applicazioni bio-mediche

• Trasferimento di tecnologie ad ambiente medico e spaziale

• Stretta collaborazione con CERN e ESA

Eccellente palestra di approccio alle nuove tecnologie

IL GRUPPO INFN - GEANT4IL GRUPPO INFN - GEANT4


ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUPACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUP

AND WORKING PLANS 2009AND WORKING PLANS 2009



Gruppo collegato Sanità e Istituto Superiore diSanità (Roma)

FTE: 5.3Validazione dei modelli di fisica da applicare inradioterapia con fasci esterni.Contributo al mantenimento dell’advanced Examplemedical_linac.Sviluppo e test di interfacce DICOM (collaborazionecon S. Chauvie)Si richiederà l’inserimento di membri del Gruppoall’interno della Collaborazione Internazionale nelWorking Group di Advanced Example.Possibile contributo nello sviluppo di fisicaelettromagneticaDisseminazione e formazione


Progetto GEANT4 – Gruppo Collegato Sanità

Composizione gruppo di lavoro locale:Barbara Caccia - Resp.locale (Iss – Primo Ricercatore)Maurizio Mattia (Iss – Ricercatore)Giovanni De Angelis (Iss – Ricercatore)Gianluca Frustagli (Iss – Tecnico)Stefano Valentini (Iss – Tecnico)Claudio Andenna (Ispesl – Ricercatore)Lidia Strigari (Ist. Regina Elena–Ricercatore)Annelisa d’Angelo (Ist. Regina Elena–Ricercatore)Giuseppe Iaccarino (Ist. Regina Elena–Ricercatore)

GEANT4@Sanità


Applicazioni di GEANT4 alla terapia radiometabolica:verifica su casi clinici(presso Istituto Regina Elena)

Calcolo dello spazio delle fasi per un acceleratore per usomedico (Intensity Modulated Radiation Therapy) perdiverse configurazioni di lavoro

Modellizzazione di immagini TAC tramite un'interfacciaDICOM. Sviluppo di codice per ridurre, in manieraautomatica e secondo dei criteri definibili dall’utente, ilnumero di voxel in cui un dato volume viene rappresentatotramite le immagini DICOM. Verifica su dati clinici.

GEANT4@Sanità


ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUPACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUPLaboratori Nazionali del Gran Sasso

FTE: 0.2Supporto agli utenti Geant4validazione, test e messa a punto di alcuni modelli di fisica adronica diGeant4 di specifico interesse per esperimenti underground.Gli obiettivi primari per il futuro saranno la verifica dei nuovi processiper i neutroni di bassa energia (basati su nuove librerie), che laCollaborazione ha in programma di rilasciare nelle prossime versionidel codice, e uno studio più dettagliato di produzione di neutroni e diisotopi radioattivi indotta da raggi cosmici di altissima energia, diinteresse per tutti gli esperimenti underground.Inoltre, il gruppo LNGS prevede di occuparsi del mantenimento e bug-fix dei processi elettromagnetici Penelope di bassa energia, che sonostati implementati in Geant4 negli anni passati.Un importante obiettivo è di migliorare il coordinamento e la sinergiacon altri gruppi INFN, relativamente ad aree di comune interesse, inmodo da ottimizzare il lavoro e trarre maggior profitto dallecompetenza esistenti. Le possibilità più immediate in questo contestopotrebbero riguardare la sezione di Trieste (fisica da satellite) ed iLaboratori Nazionali del Sud (p.e., produzione di isotopi instabili perapplicazioni PET).



Sez. Genova

The Geant4 Group at Genova will be completely reorganized

Thei contribution will be in the field of the LowE Group physics andsoftware development

They will be involved in ESA-INFN collaboration


ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUPACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUPLaboratori Nazionali del Sud.

FTE: 4.3Si intende intensificare l’attività svolta come sviluppatori accrescendo così il contributo direttoallo sviluppo GEANT4, sia proseguendo l’attività nell’ambito degli GEANT4 examples(mantenimento e miglioramento di hadrontherapy e sviluppo di un nuovo esempio che riprodurràl’apparato per la misura di prodotti di frammentazione), sia lavorando al test e correzione degliattuali modelli di frammentazione all’interno del working group adronico della Collaborazione (cuiperaltro, i ricercatori dei LNS già appartengono).

Mantenimento e sviluppo dell’esempio avanzato Hadrontherapy [13-15]Introduzione del campo magnetico variabile per riprodurre un sistema ditrattamento a fascio attivo (active beam scanning) [Dicembre 2008];Introduzione completa dei modelli di interazione inelastica per fasci di ionicarbonio attualmente disponibili in GEANT4 [Giugno 2009];Introduzione di una nuova classe dedicata al calcolo del LET per fasci di protoni(sia nel caso monoenergetico che in quello modulato) [Giugno 2008]Introduzione di una nuova classe dedicata al calcolo del LET per fasci dicarbonio [Dicembre 2009]Introduzione definitiva dell’esempio Hadontherapy all’interno della piattaformaGRID INFN [Giugno 2008]

Studio delle distribuzioni di dose di fasci di carbonio in acqua nel range di energia 30-60 AMeV

Confronto sistematico delle distribuzioni sperimentali di dose in profondità condistribuzioni simulate per tutti i modelli di fisica elettromagnetica presenti inGEANT4 [Giugno 2008];Verifica sistematica delle discrepanze tra i valori degli stopping powers per ioniin diversi materiali di GEANT4 con i valori dell’ICRU73 [Dicembre 2008]


Laboratori Nazionali del SudAttività nell’ambito del Working Group adronico della Collaborazione:

Attività sperimentale di misura (con il rivelatore FRAG disponibile presso i LNS)dei prodotti di frammentazione da fasci di ioni carbonio su targhette di variomateriale in una apertura angolare di ±40°Simulazione completa dell’apparato FRAG me la misura dei prodotti diframmentazione e confronto con i dati sperimentali [Giugno 2009]Sviluppo di un semplice rivelatore a quattro stadi per misure di frammentazioneangolare ad energie comprese tra 100 e 400 AMeV;Introduzione dell’apparato FRAG come advanced example di GEANT4 o comeesempio di fisca adronica [Dicembre 2009]Studio del Test30 e verifica dei modelli di pre-equilibrio ed evaporazione attivabili;inserimento dei dati sperimentali acquisiti in un nuovo test adronico [Dicembre2009]

Collaborazioni esterne del gruppo LNS per attività legate a GEANT4Università e sezione INFN di Torino: (Interazione di ioni carbonio con la materia, sviluppo di unTreatment Planning System or ioni carbonio)Università e Sezione INFN di Pisa: studio di produzione di beta-emettitori indotti da fasci diprotoni e ioni nella materia (PET-Online)Università di Firenze e Dipartimento di Fisiopatologia Clinica Università di Firenze: sviluppo di unsistema di imaging tomografico con fasci di protoni; studio degli algoritmi di ricostruzione esimulazione dei rivelatori di particella singola da utilizzareVinca Institute di Belgrado: studio degli effetti radiobiologici indott da protoni e ioni su variecellule. Simulazione per il calcolo del LET e confronto con i risultati sperimentali dellasopravvivenza delle cellule e con funzioni analitiche



AREAS OF ACTIVITY OF THE INFN GROUPAREAS OF ACTIVITY OF THE INFN GROUPINSIDE THE COLLABORATIONINSIDE THE COLLABORATION

LowE Electromagnetic Physics

Advanced examples

TrainingTechnology transfer

RadiotherapyRadiodiagnostic

OutreachClose collaboration with CERN

Hadronic working group


• Geant4 Advanced Examples demonstrate Geant4 capabilities in specificexperimental set-ups– They are useful for testing/validation purpose, and are a primary tool

of user support• 2003

– Coordination of significant extensions and design/codeimprovements.

– New LHC example (LHCb-like RICH)– New DICOM example (interface between DICOM image standard and

Geant4 geometry, allows to import a CT image directly into Geant4)• 2004

– New Hadrontherapy example + validation with experimental data fromCATANA in progress (also in view of the CNAO project and newhadrontherapy project in Sicily), INFN LNS

– Medical LINAC (in collaboration with IST), INFN Genova and in futureISS Rome

– Significant coordination effort (other new examples in progress:gravitational waves, air shower experiment, radiation damage tocomponents, Geant4 in distributed computing environment)

ADVANCED EXAMPLESADVANCED EXAMPLES


The activity on LowE electromagneticphysics started informally in October 1998Initially meant to be one of the “ESAmodules” for space radiation backgroundstudies, limited to electrons and photons

Applied to the CB in April 2000 to create a new WG

LOW ENERGY ELECTOMAGNETIC WGLOW ENERGY ELECTOMAGNETIC WG


Atlas, CMS, LHCB, BaBarl continuerebbero a godere dello User Support, inquanto partecipanti come esperimenti] Altri esperimenti e progetti INFNl non avrebbero diritto allo User Supportn a meno che entrino in Geant4 singolarmenten soglia a 2 CU, altrimenti in area Common, senzadiritto a rappresentanti in CB e TSBl ogni richiesta di User Support sarebbe trattata dallaCollaborazione sulla base di ‘best effort’n best effort = dopo aver soddisfatto tutte le altreesigenze, se rimane tempo libero...] L’INFN non avrebbe diritto a proprirappresentanti nel Collaboration Board eTechnical Steering Boardl impossibilità di intervenire nelle scelte dellaCollaborazione e di far presenti le esigenze INFNl perdita di una persona di riferimento italiana cometramite per lo User Support

SE IL MOU NON ESE IL MOU NON E’’ FIRMATO FIRMATO


Geant3 era un prodotto CERNl sviluppato nella divisione IT (ex CN, ex DD), concontributo a titolo volontaristico di alcuni fisici esterni] Geant4 non è un prodotto CERNl è il prodotto di una Collaborazione internazionale, che ne detiene la proprietàintellettualel il gruppo CERN/IT costituisce ~5% della Collaborazione] Le competenze fisiche e tecniche sono sparse nell’intera Collaborazione, nonconcentrate al CERN] La partecipazione del CERN a Geant4 non copre automaticamente lo UserSupport per i Member States] Dalle minute di un TSB:] “On the question of support to users, the Chairman noted in clarification that theexperiments, labs and institutions contributing to the Collaboration benefit from thisautomatically by virtue of having signed the MoU. There is no intent to obstruct theuse of Geant4 by others, but the speed with which their questions can be answeredmay be limited by the amount of effort available to the Collaboration and requestsfor new features will be subject to Collaboration approval. The CERNrepresentative added that, since Geant4 belongs to the Collaboration and not toCERN, CERN'ssignature of the MoU clearly cannot be taken as conferring membership onall the physics institutes in the Member States.”

IL RUOLO DEL CERNIL RUOLO DEL CERN


GEANT4@Sanità

Trasferimento di tecnologieRadioterapia

Applicazioni in medicina nucleareContributo a tools ed applicazioni spaziali (ESA)

Gruppo collegato Sanità - Istituto Superiore di Sanità

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