Они переписали физику взрыва
Разработку российских ученых включили в мировой стандарт Geant4
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.
Разработчик, заместитель директора Центра научного программирования МФТИ Александр Светличный
Фото: @svetlichnyyalex
Разработчик, заместитель директора Центра научного программирования МФТИ Александр Светличный
Фото: @svetlichnyyalex
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.
Александр Светличный, разработчик, заместитель директора Центра научного программирования МФТИ, ответил на вопросы «Ъ-Науки».
— Почему выбор языка C++ вместо Fortran дал ускорение именно в 20 раз, а не, скажем, в 2 или в 100? Какое узкое место архитектуры Fortran было устранено?
— Основной выигрыш был не в используемом языке программирования, а в изменении подхода. С++ сейчас является стандартом в физике высоких энергий, поэтому он и был выбран. Основное ускорение было получено за счет оптимальной стратегии кэширования — переиспользования уже произведенных расчетов для нужд будущих расчетов.
— Почему в тяжелой ионной терапии используют именно углерод и кислород, а не, скажем, железо или золото? Как новая модель влияет на выбор оптимального иона?
— Выбор ядер зачастую определяется терапевтическим эффектом, доступностью на ускорителе и возможным сопутствующим ущербом. Новая модель позволит лучше оценивать сопутствующий ущерб, но выбор остается за врачом.
— Как на практике врач использует результат расчета? Получает ли он трехмерную карту доз от осколков и просто вычитает ее из плана облучения?
— Зависит от больницы и деталей лечения. Схематично обычно планируется лечение с учетом получаемого распределения биологической дозы и с обязательным контролем промежуточных результатов. Осколки просто учитываются при расчетах биологической дозы.
— Почему спектаторные фрагменты на LHC — это проблема, а не просто любопытный эффект? Как они могут испортить физический результат?
— Спектаторные фрагменты могут захватываться магнитами в пучок, так как их Z/A такой же, как и у начального ядра. Такие ядра могут или медленно уходить из пучка и попадать в сверхпроводящие магниты и нагревать их, или сталкиваться с исследуемыми ядрами пучка. Это все может либо вывести ускоритель из строя, либо загрязнить получаемые физические данные.
— Что такое «статистическая мультифрагментация» простыми словами и почему она более ресурсоемкая в отличие от текущей модели?
— Статистическая мультифрагментация применяется для описания развала тяжелого возбужденного ядра на большое число осколков (как правило, от десятка до сотни). В этом случае прямое перечисление всех возможных кинематических каналов становится невозможным из-за их огромного количества, поэтому используется статистический подход: вычисляется вероятность образования каждого набора осколков на основе фазового объема или моделей типа канонического ансамбля. Напротив, Fermi break-up применим только при малом числе осколков в случае легких ядер, что позволяет явно перебрать все разрешенные конечные состояния без привлечения тяжелой статистики. Ресурсоемкость статистической мультифрагментации обусловлена экспоненциальным ростом числа комбинаций с увеличением множественности осколков, а также необходимостью многократного интегрирования по фазовому пространству и (часто) самосогласованного определения равновесных параметров.
— Как «сжигание» радиоактивных отходов в ускорителе связано с фрагментацией ядер? Почему расчет этого процесса сейчас занимает недели?
— В основе «сжигания» радиоактивных отходов в ускорителе лежит именно ядерная фрагментация (spallation): быстрый протон, попадая в тяжелую мишень, разваливает ядро на десятки осколков, порождая мощный нейтронный поток для трансмутации долгоживущих изотопов. Поскольку осколков много, расчет этого процесса требует той же статистической мультифрагментации, о которой шла речь выше,— с перебором триллионов комбинаций, интегрированием по фазовому пространству и самосогласованным определением параметров. Именно из-за колоссальной вычислительной сложности (каждый протон запускает каскад вторичных соударений, а для надежного прогноза нужны ансамбли из миллиардов событий) даже на суперкомпьютерах моделирование занимает недели, что делает ускорение этих расчетов важной инженерной задачей для практического создания подобных систем.
— Почему разработчики Geant4 (международная коллаборация) доверили эту работу именно МФТИ, а не, скажем, ЦЕРНу?
— Специалисты из МФТИ оказались проактивны и сами сделали эту работу для себя, после чего предложили Geant4 воспользоваться ей. В МФТИ и ИЯИ РАН работает уникальная научная группа, которая специализируется на ядерной фрагментации и разработке кода для моделирования. Этих компетенций не оказалось у ЦЕРНа под рукой, тем более что почти все ученые в ЦЕРНе по основной «прописке» числятся не там, а где-то еще.