THE GEANT4-INFN COLLABORATION Status and perspectives

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1 THE GEANT4-INFN COLLABORATION Status and perspectives G.Cuttone INFN-LNS Catania On behalf of the GEANT4-INFN Group /

2 GEANT4 OO toolkit per la simulazione di rivelatori in fisica delle alte energie della prossima generazione l...e della generazione attuale l...e non solo di alte energie l fisica nucleare, ioni pesanti, acceleratori, scienze spaziali, fisica medica etc. Esperienza di produzione e gestione di software distribuito in una collaborazione internazionale, con partecipazione da vari esperimenti, laboratori e istituti Esperienza di applicazione di metodi di software engineering e di tecnologie Object Oriented all ambiente HEP

3 GEANT4 Approvato come R&D a fine 94 ] Obiettivi a fine 95 l metodologia OO, problem domain, OOA&D completo l prototipo di tracking, performance ] Obiettivi a primavera 97 l α-release con la stessa funzionalità di Geant 3.21 l persistenza (hits), ODBMS l trasparenza di modelli fisici per gli utenti ] Obiettivo a luglio 98 l primo β-release pubblico ] Obiettivo a fine 98 l production release: Geant4.0 Ł Tutti gli obiettivi temporali e i requirements sono stati rigorosamente rispettati da RD44 ] Riconfigurazione successiva alla fase R&D l Collaborazione internazionale Geant4 dal 1/1/1999 l Gestione della fase di produzione l Sviluppo e R&D anche nella fase di produzione

4 LE COMPONENTI DI GEANT4 Codice l versione di produzione l versione R&D l circa 1M linee di codice, 2000 classi l disponibile su web come tar files ] Documentazione l Guida introduttiva l 5 manuali l disponibile su web, continuamente aggiornata ] Esempi l distribuiti come il codice l sofisticato sistema di navigazione su web dalla documentazione al codice degli esempi ] MoU l organizzazione della gestione e sviluppo di Geant4, del servizio di produzione e del supporto utenti

5 LA COLLABORAZIONE GEANT4 Gestisce distribuzione, sviluppo e servizio utenti ] Partecipano esperimenti, laboratori, istituti che procurano almeno 2 Contribution Units l Atlas, BaBar, CMS, LHCB, IGD l CERN, INFN, KEK, SLAC, TRIUMF l ESA, Lebedev, IN2P3 l Common (membri sotto soglia) l altre partecipazioni in corso di definizione ] Collaboration Board l Gestisce le risorse e le responsabilità l Decide l ammissione di nuovi collaboratori l Chairman Y. Watase (KEK Computing Director) ] Technical Steering Board l È il forum dove le questioni tecniche e scientifiche sono discusse, decise e ordinate in priorità l Gestisce il Production Service e lo User Support l Chairman J. Allison (Univ. of Manchester & CERN, BaBar) ] Working Groups l Eseguono sviluppo, supporto, manutenzione, QA, test l Ogni collaboratore è affiliato ad un Working Group

6 LA GESTIONE DI GEANT4 È definita dal MoU ] Production service l Manutenzione del codice e della documentazione l Sviluppo ] User support l Consulenza l Analisi di problemi concernenti il codice e relativo aiuto l Studio di comportamenti anomali l Richiesta di nuovi sviluppi + Solo i membri di istituti, laboratori, esperimenti partecipanti alla Collaborazione Geant4 hanno garantiti Production Service e User Support per gli altri solo codice, librerie e documentazione pubblici e supporto sulla base di best effort

7 IL SUPPORTO DEGLI UTENTI Gestione dello User support l l Attraverso interfacce automatiche su web per comunicazioni di bachi e documentazione l Attraverso interfacce umane, quando necessario ] Come funziona? l Tutte le richieste di sviluppo, consulenza e analisi di problemi sono incanalate attraverso il rappresentante nel TSB del proprio esperimento o lab/istituto l Il rappresentante nel TSB mette l utente in contatto con gli esperti appropriati al problema l Il rappresentante presenta al TSB le richieste di nuovi sviluppi e i problemi della propria comunià di utenti l Il TSB decide sulle richieste e determina le priorità l Il rappresentante nel TSB comunica l esito delle richieste ai propri utenti ] E se non si è rappresentati nel TSB? l Ci si rivolge ad un qualsiasi membro del TSB l 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 meno soddisfatta

8 IL 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 Heavy ion reaction Medical Physic Spatial Radioprotection: LNGS,TS, Ge LNS, TO, PI GE,LNS, ISS, TO, PI GE, ISS, LNS

9 I BENEFICI PER L L INFN Diritto al Production Service e User Support per tutti i fisici INFN, per tutti gli esperimenti e progetti di interesse per l INFN ] Possibilità di contribuire alle decisioni tecniche e scientifiche della Collaborazione Geant4 l linee di sviluppo l priorità l tutela degli interessi delle attività INFN ] Acquisizione di competenze tecnologiche avanzate, che possono essere trasferite alla comunità INFN ] Acquisizione di competenze specifiche di simulazione con Geant4 l utili per applicazione negli esperimenti di appartenenza l nucleo di esperti per training e consulenza alla comunità INFN ] Interesse intrinseco di partecipazione ad un rilevante progetto internazionale, di alto contenuto tecnologico e fondamentale per gli esperimenti della nuova generazione ] Pubblicazioni

10 IL GRUPPO INFN - GEANT4 Commissione Calcolo fino al 2005 Commissione V dal 2006 ad oggi. Cambio della responsabilità nel 2008 a seguito di confronto interno alla collaborazione. Obiettivo: Geant4 per le esigenze di fisica dell INFN.

11 IL 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

12 ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUP AND WORKING PLANS 2009

13 ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUP Gruppo collegato Sanità e Istituto Superiore di Sanità (Roma) FTE: 5.3 Validazione dei modelli di fisica da applicare in radioterapia con fasci esterni. Contributo al mantenimento dell advanced Example medical_linac. Sviluppo e test di interfacce DICOM (collaborazione con S. Chauvie) Si richiederà l inserimento di membri del Gruppo all interno della Collaborazione Internazionale nel Working Group di Advanced Example. Possibile contributo nello sviluppo di fisica elettromagnetica Disseminazione e formazione

14 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)

15 Applicazioni di GEANT4 alla terapia radiometabolica: verifica su casi clinici (presso Istituto Regina Elena) Calcolo dello spazio delle fasi per un acceleratore per uso medico (Intensity Modulated Radiation Therapy) per diverse configurazioni di lavoro Modellizzazione di immagini TAC tramite un'interfaccia DICOM. Sviluppo di codice per ridurre, in maniera automatica e secondo dei criteri definibili dall utente, il numero di voxel in cui un dato volume viene rappresentato tramite le immagini DICOM. Verifica su dati clinici.

16 ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUP Laboratori Nazionali del Gran Sasso FTE: 0.2 Supporto agli utenti Geant4 validazione, test e messa a punto di alcuni modelli di fisica adronica di Geant4 di specifico interesse per esperimenti underground. Gli obiettivi primari per il futuro saranno la verifica dei nuovi processi per i neutroni di bassa energia (basati su nuove librerie), che la Collaborazione ha in programma di rilasciare nelle prossime versioni del codice, e uno studio più dettagliato di produzione di neutroni e di isotopi radioattivi indotta da raggi cosmici di altissima energia, di interesse per tutti gli esperimenti underground. Inoltre, il gruppo LNGS prevede di occuparsi del mantenimento e bugfix dei processi elettromagnetici Penelope di bassa energia, che sono stati implementati in Geant4 negli anni passati. Un importante obiettivo è di migliorare il coordinamento e la sinergia con altri gruppi INFN, relativamente ad aree di comune interesse, in modo da ottimizzare il lavoro e trarre maggior profitto dalle competenza esistenti. Le possibilità più immediate in questo contesto potrebbero riguardare la sezione di Trieste (fisica da satellite) ed i Laboratori Nazionali del Sud (p.e., produzione di isotopi instabili per applicazioni PET).

17 ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUP Sez. Genova The Geant4 Group at Genova will be completely reorganized Thei contribution will be in the field of the LowE Group physics and software development They will be involved in ESA-INFN collaboration

18 ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUP Laboratori Nazionali del Sud. FTE: 4.3 Si intende intensificare l attività svolta come sviluppatori accrescendo così il contributo diretto allo sviluppo GEANT4, sia proseguendo l attività nell ambito degli GEANT4 examples (mantenimento e miglioramento di hadrontherapy e sviluppo di un nuovo esempio che riprodurrà l apparato per la misura di prodotti di frammentazione), sia lavorando al test e correzione degli attuali modelli di frammentazione all interno del working group adronico della Collaborazione (cui peraltro, i ricercatori dei LNS già appartengono). Mantenimento e sviluppo dell esempio avanzato Hadrontherapy [13-15] Introduzione del campo magnetico variabile per riprodurre un sistema di trattamento a fascio attivo (active beam scanning) [Dicembre 2008]; Introduzione completa dei modelli di interazione inelastica per fasci di ioni carbonio 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 di carbonio [Dicembre 2009] Introduzione definitiva dell esempio Hadontherapy all interno della piattaforma GRID INFN [Giugno 2008] Studio delle distribuzioni di dose di fasci di carbonio in acqua nel range di energia AMeV Confronto sistematico delle distribuzioni sperimentali di dose in profondità con distribuzioni simulate per tutti i modelli di fisica elettromagnetica presenti in GEANT4 [Giugno 2008]; Verifica sistematica delle discrepanze tra i valori degli stopping powers per ioni in diversi materiali di GEANT4 con i valori dell ICRU73 [Dicembre 2008]

19 ACTIVITIES OF THE INFN-GEANT4 GROUP Laboratori Nazionali del Sud Attività 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 vario materiale in una apertura angolare di ±40 Simulazione completa dell apparato FRAG me la misura dei prodotti di frammentazione e confronto con i dati sperimentali [Giugno 2009] Sviluppo di un semplice rivelatore a quattro stadi per misure di frammentazione angolare ad energie comprese tra 100 e 400 AMeV; Introduzione dell apparato FRAG come advanced example di GEANT4 o come esempio 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 [Dicembre 2009] Collaborazioni esterne del gruppo LNS per attività legate a GEANT4 Università e sezione INFN di Torino: (Interazione di ioni carbonio con la materia, sviluppo di un Treatment Planning System or ioni carbonio) Università e Sezione INFN di Pisa: studio di produzione di beta-emettitori indotti da fasci di protoni e ioni nella materia (PET-Online) Università di Firenze e Dipartimento di Fisiopatologia Clinica Università di Firenze: sviluppo di un sistema di imaging tomografico con fasci di protoni; studio degli algoritmi di ricostruzione e simulazione dei rivelatori di particella singola da utilizzare Vinca Institute di Belgrado: studio degli effetti radiobiologici indott da protoni e ioni su varie cellule. Simulazione per il calcolo del LET e confronto con i risultati sperimentali della sopravvivenza delle cellule e con funzioni analitiche

20 AREAS OF ACTIVITY OF THE INFN GROUP INSIDE THE COLLABORATION Advanced examples LowE Electromagnetic Physics Hadronic working group Training Technology transfer Radiotherapy Radiodiagnostic Outreach Close collaboration with CERN

21 ADVANCED EXAMPLES Geant4 Advanced Examples demonstrate Geant4 capabilities in specific experimental set-ups They are useful for testing/validation purpose, and are a primary tool of user support 2003 Coordination of significant extensions and design/code improvements. 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 from CATANA in progress (also in view of the CNAO project and new hadrontherapy project in Sicily), INFN LNS Medical LINAC (in collaboration with IST), INFN Genova and in future ISS Rome Significant coordination effort (other new examples in progress: gravitational waves, air shower experiment, radiation damage to components, Geant4 in distributed computing environment)

22 LOW ENERGY ELECTOMAGNETIC WG The activity on LowE electromagnetic physics started informally in October 1998 Initially meant to be one of the ESA modules for space radiation background studies, limited to electrons and photons Applied to the CB in April 2000 to create a new WG

23 SE IL MOU NON E E FIRMATO Atlas, CMS, LHCB, BaBar l continuerebbero a godere dello User Support, in quanto partecipanti come esperimenti ] Altri esperimenti e progetti INFN l non avrebbero diritto allo User Support n a meno che entrino in Geant4 singolarmente n soglia a 2 CU, altrimenti in area Common, senza diritto a rappresentanti in CB e TSB l ogni richiesta di User Support sarebbe trattata dalla Collaborazione sulla base di best effort n best effort = dopo aver soddisfatto tutte le altre esigenze, se rimane tempo libero... ] L INFN non avrebbe diritto a propri rappresentanti nel Collaboration Board e Technical Steering Board l impossibilità di intervenire nelle scelte della Collaborazione e di far presenti le esigenze INFN l perdita di una persona di riferimento italiana come tramite per lo User Support

24 IL RUOLO DEL CERN Geant3 era un prodotto CERN l sviluppato nella divisione IT (ex CN, ex DD), con contributo a titolo volontaristico di alcuni fisici esterni ] Geant4 non è un prodotto CERN l è il prodotto di una Collaborazione internazionale, che ne detiene la proprietà intellettuale l il gruppo CERN/IT costituisce ~5% della Collaborazione ] Le competenze fisiche e tecniche sono sparse nell intera Collaborazione, non concentrate al CERN ] La partecipazione del CERN a Geant4 non copre automaticamente lo User Support per i Member States ] Dalle minute di un TSB: ] On the question of support to users, the Chairman noted in clarification that the experiments, labs and institutions contributing to the Collaboration benefit from this automatically by virtue of having signed the MoU. There is no intent to obstruct the use of Geant4 by others, but the speed with which their questions can be answered may be limited by the amount of effort available to the Collaboration and requests for new features will be subject to Collaboration approval. The CERN representative added that, since Geant4 belongs to the Collaboration and not to CERN, CERN's signature of the MoU clearly cannot be taken as conferring membership on all the physics institutes in the Member States.

25 Gruppo collegato Sanità - Istituto Superiore di Sanità Trasferimento di tecnologie Radioterapia Applicazioni in medicina nucleare Contributo a tools ed applicazioni spaziali (ESA)