Códigos de física de aceleradores

Un acelerador de partículas cargadas es una máquina compleja que toma partículas elementales cargadas y las acelera a energías muy altas. La física de aceleradores es un campo de la física que abarca todos los aspectos necesarios para diseñar y operar el equipo y comprender la dinámica resultante de las partículas cargadas. Existen paquetes de software asociados a cada dominio. La edición de 1990 del compendio del Grupo de Códigos del Acelerador de Los Alamos ^{[ 1 ]} proporciona resúmenes de más de 200 códigos. Algunos códigos todavía se utilizan hoy en día, aunque muchos están obsoletos. Otro índice de códigos de simulación de aceleradores existentes e históricos se encuentra en el sitio web CERN CARE/HHH. ^{[ 2 ]}

Para muchas aplicaciones, basta con rastrear una sola partícula a través de los campos eléctricos y magnéticos relevantes. Los códigos antiguos que ya no reciben mantenimiento por parte de sus autores originales o instituciones de origen incluyen: BETA, ^{[ 3 ]} AGS, ALIGN, COMFORT, DESIGN, DIMAD, HARMON, LEGO, LIAR, MAGIC, MARYLIE, PATRICIA, PETROS, RACETRACK, SYNCH, ^{[ 4 ]} TRANSPORT, TURTLE y UAL. Algunos códigos heredados son mantenidos por organizaciones comerciales para instalaciones de aceleradores académicos, industriales y médicos que continúan utilizando dichos códigos. TRACE 3-D y TURTLE se encuentran entre los códigos históricos que reciben mantenimiento comercial. ^{[ 5 ]}

Los principales códigos mantenidos incluyen:

La autointeracción (por ejemplo, la carga espacial) del haz de partículas cargadas puede provocar el crecimiento del haz, como en el caso del alargamiento del paquete o la dispersión intrahaz. Además, los efectos de la carga espacial pueden causar inestabilidades y la consiguiente pérdida del haz. Normalmente, a energías relativamente bajas (aproximadamente para energías donde el factor gamma relativista es menor que 10), la ecuación de Poisson se resuelve a intervalos durante el seguimiento mediante algoritmos de partículas en celda . Los efectos de la carga espacial disminuyen a energías más altas, por lo que a estas energías se pueden modelar utilizando algoritmos más sencillos que son computacionalmente mucho más rápidos que los algoritmos utilizados a energías más bajas. Algunos códigos que manejan los efectos de la carga espacial a bajas energías incluyen:

• ASTRA ^{[ 8 ]}
• Bmad
• Suite de estudio CST ^{[ 30 ]}
• GPT ^{[ 31 ]}
• IMPACTO ^{[ 32 ]}
• ImpactX ^{[ 33 ]}
• mbtrack ^{[ 34 ]}
• ORBIT, ^{[ 35 ]} PyORBIT ^{[ 36 ]}
• ÓPALO ^{[ 37 ]}
• PyHEADTAIL ^{[ 38 ]}
• Sinergia ^{[ 39 ]}
• TraceWin ^{[ 40 ]}
• Transferencia ^{[ 41 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}
• Distorsión ^{[ 43 ]}
• Xsuite ^{[ 27 ]}

A energías más altas, los efectos de carga espacial incluyen el efecto Touschek y la radiación sincrotrón coherente (CSR). Los códigos que manejan carga espacial de alta energía incluyen:

• Bmad
• ELEGANTE
• ImpactX
• María Lie
• TRISTE

Cuando dos haces colisionan, el campo electromagnético de uno de ellos tendrá fuertes efectos sobre el otro, denominados efectos haz-haz. Las simulaciones denominadas "débil-fuerte" modelan un haz (llamado haz "fuerte" ya que afecta al otro) como una distribución fija (típicamente una distribución gaussiana) que interactúa con las partículas del otro haz "débil". Esto simplifica enormemente la simulación. Una simulación "fuerte-fuerte" completa es más compleja y requiere más tiempo de simulación. Los códigos fuerte-fuerte incluyen:

• COBAYA ^{[ 44 ]}
• BeamBeam3D ^{[ 45 ]}
• Xsuite ^{[ 27 ]}
• WarpX ^{[ 46 ]}

Una clase importante de efectos colectivos puede resumirse en términos de la respuesta de los haces a una " impedancia ". Por lo tanto, una tarea importante es el cálculo de esta impedancia para la máquina. Los códigos para este cálculo incluyen:

• ABCI ^{[ 47 ]}
• ACE3P ^{[ 48 ]}
• Suite de estudio CST ^{[ 49 ]}
• GdfidL ^{[ 50 ]}
• TBCI ^{[ 51 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}

Para controlar el haz de partículas cargadas, se deben crear campos eléctricos y magnéticos adecuados. Existen paquetes de software que ayudan en el diseño y la comprensión de los imanes, las cavidades de radiofrecuencia y otros elementos que crean estos campos. Los códigos incluyen:

• ACE3P ^{[ 48 ]}
• COMSOL Multiphysics ^{[ 52 ]}
• Suite de estudio CST ^{[ 53 ]}
• OPERA ^{[ 54 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}

Dada la variedad de tareas de modelado, no se ha desarrollado un formato de datos común. Para describir la disposición de un acelerador y sus elementos correspondientes, se utiliza un archivo de retícula. Se han realizado numerosos intentos de unificar los formatos de archivo de retícula utilizados en diferentes códigos. Un intento de unificación es el Lenguaje de Marcado de Aceleradores (ACML) y el Analizador Universal de Aceleradores (AUPA). ^{[ 55 ]} Otro intento de unificar los códigos de aceleradores es la Biblioteca Universal de Aceleradores (UAL). ^{[ 56 ]} A fecha de 2023, ninguno de estos formatos recibe mantenimiento.

Los formatos de archivo utilizados en MAD son probablemente los más comunes, con rutinas de traducción disponibles para convertirlos a un formato de entrada compatible con otros códigos. El código Elegant utiliza un formato de datos llamado SDDS, con su correspondiente conjunto de herramientas. Si se utiliza un código basado en Matlab , como Accelerator Toolbox, se dispone de todas las herramientas de Matlab.

Para el intercambio de posiciones de partículas y campos electromagnéticos, el estándar OpenPMD ^{[ 57 ]} define un formato que luego puede implementarse con un formato de archivo como HDF5 .

Los aceleradores de partículas tienen numerosas aplicaciones. Por ejemplo, dos aplicaciones importantes son la física de partículas elementales y la producción de radiación sincrotrón . Al realizar una tarea de modelado para cualquier operación de acelerador, los resultados de las simulaciones de la dinámica del haz de partículas cargadas deben incorporarse a la aplicación correspondiente. Por lo tanto, para una simulación completa, es necesario incluir los códigos en las aplicaciones asociadas. En el caso de la física de partículas, la simulación puede continuarse en un detector con un código como Geant4 .

Por ejemplo, en una instalación de radiación sincrotrón, el haz de electrones produce un haz de rayos X que luego viaja a lo largo de una línea de haz antes de llegar al experimento. Por lo tanto, el software de modelado del haz de electrones debe interactuar con el software de modelado de óptica de rayos X como SRW, ^{[ 58 ]} Shadow, ^{[ 59 ]} McXTrace, ^{[ 60 ]} o Spectra. ^{[ 61 ]} Bmad ^{[ 10 ]} puede modelar tanto rayos X como haces de partículas cargadas. Los rayos X se utilizan en un experimento que puede ser modelado y analizado con varios programas, como la plataforma científica DAWN. ^{[ 62 ]} OCELOT ^{[ 63 ]} también incluye tanto el cálculo de la radiación sincrotrón como modelos de propagación de rayos X.

Los aceleradores industriales y médicos representan otra área de aplicaciones importantes. Una encuesta de 2013 estimó que había alrededor de 27 000 aceleradores industriales y otros 14 000 aceleradores médicos en todo el mundo, ^{[ 64 ]} y esas cifras han seguido aumentando desde entonces. ^{[ 65 ]} Los códigos utilizados en esas instalaciones varían considerablemente y a menudo incluyen una combinación de códigos tradicionales y códigos personalizados desarrollados para aplicaciones específicas. El Código de Órbita Avanzada (AOC) ^{[ 66 ]} desarrollado en Ion Beam Applications es un ejemplo.

• Lista de códigos del Laboratorio de Física de Haces de Partículas de UCLA. Archivado el 17 de julio de 2018 en Wayback Machine.
• Comparación de códigos aceleradores