Zastosowania

Wstęp
Fizyka
Astronautyka
Medycyna

Wstęp

Na niniejszej stronie przestawione są różne projekty wykorzystujące Geant4. Do niektórych z nich dostępny jest materiał graficzny. Aby go obejrzeć należy kliknąć na palecie przy nazwie projektu.

Projekty te związane są z fizyką wysokich energii ale także z innymi dziedzinami nauki. Wykorzystanie Geant4 na innych polach niż fizyka wysokich energii możliwe jest dzięki modelowi rozwijania tego pakietu. Jest on rozwijany przez współpracujących fizyków i informatyków z wielu krajów. Zespół ten nie jest zamkniętym i odizolowanym organizmem co dodatnio wpływa na kontakt z użytkownikiem. Z Geant4 zaczęli korzystać ludzie zajmujący się innymi dziedzinami nauki niż fizyka cząstek, co zaowocowało ich współpracą z twórcami pakietu a w efekcie uczyniło Geant4 bardziej uniwersalnym. [13]

Fizyka

Alice

Eksperyment ALICE [8] przygotowywany w CERN'ie będzie zajmował się badaniem zderzeń jądrowych przy wysokich energiach. Eksperyment ten mieć będzie na celu wykrycie nowego stanu materii - plazmy kwarkowo-gluonowej, której istnienie przewiduje model teoretyczny zwany chromodynamiką kwantową (QCD - Quantum Chromo Dynamics). W tym celu badane są hadrony, elektrony oraz fotony produkowane podczas zderzeń ciężkich jonów. Plazma kwarkowo-gluonowa jest stanem materii, w którym kwarki istniej w postaci uwolnionej. Cząstki te w "normalnym" dla nich stanie wraz z antykwarkami istnieją powiązane w pary i trójki formując cząstki zwane hadronami (piony, protony, kaony itp.). Pojedyncze kwarki w próżni nie istnieją (gdyby istniały miałyby nieskończoną energię), powiązane są ze sobą oddziaływaniami silnymi, zaś nośnikami tego oddziaływania są gluony. Siły te są tak silne, że w momencie gdy dwa kwarki oddalają się od siebie, bardziej korzystne energetycznie jest dla nich przyłączenie nowych kwarków, niż rozdzielenie się i istnienie osobno.

Jednakże chromodynamika kwantowa przewiduje, że tak jak przy odpowiedniej energii z materii dało się wyodrębnić atomy, przy trochę wyższej - jądra i elektrony, przy jeszcze trochę wyższej protony i neutrony, tak przy odpowiednio dużej da się uzyskać kwarki swobodne. Warunki umożliwiające uwolnienie kwarków mają być spełnione podczas eksperymentu ALICE. W trakcie tego eksperymentu jądra ciężkich jonów ( np.207Pb ) przyspieszane będą w dwóch przeciw bieżnych wiązkach do prędkości bliskiej prędkości światła. Podczas krzyżowania wiązek będzie dochodzić do zderzeń jąder. Dla takich zderzeń układ środka masy pokrywa się z układem laboratorium. Energia przypadająca na nukleon, dostępna podczas zderzenia w środku masy będzie około 300 razy większa niż otrzymywana podczas zderzeń w teraźniejszych eksperymentach i wyniesie około s1/2=5500 GeV. Możliwe to będzie dzięki LHC - Large Hadron Colider, w którym podczas kolizji ciężkich jąder wyzwoli się energia, dla której QCD przewiduje istnienie wolnych kwarków.

Wykrycie ich nie jest jednak proste, bowiem nikt nie jest w stanie powiedzieć jak na pewno zachowa się materia w stanie plazmy kwarkowo-gluonowej. Teoria zakłada istnienie różnych efektów podczas nagrzewania się materii do stanu plazmy i podczas ochładzania się jej do normalnego stanu. Rezultaty przeprowadzonych dotychczas eksperymentów, w których zderzano jądra ciężkich jonów, są obiecujące, jednakże temperatura i energia w nich osiągana była za mała aby mogła się wytworzyć plazma kwarkowo-gluonowa. Podczas zderzenia jąder w LHC zostanie wyprodukowana ogromna liczba cząstek. Obecnie podczas zderzeń produkuje się około 1500 cząstek, w LHC ma być ich nawet 50000. Aby otrzymać wiarygodne dane o przebiegu zderzenia musi być zarejestrowana odpowiednia liczba produkowanych w nim cząstek. W tym celu skonstruowany został nowy detektor nazwany ALICE. Przy projektowaniu i konstrukcji tego detektora wykorzystany został Geant4. Wchodzi on w skład pakietu o nazwie Aliroot [9] którego zadaniem jest umożliwienie kompleksowej symulacji detektora ALICE.

Atlas

ATLAS - A Toroidal LHC ApparatuS. Jednym z głównych zadań projektu ATLAS [12] jest odkrycie i badanie cząstki Higgsa. Ma ona ogromne znaczenie w teorii cząstek. Jej istnienie przewiduje Model Standardowy. Jeśli nie zostanie odkryta eksperymentalnie trzeba będzie zweryfikować tą teorię. Model Standardowy próbuje odpowiedzieć na pytanie dlaczego cząstki mają masę i dlaczego ich masy są różne.

Za postulowano istnienie pola Higgsa. Byłby to kolejny rodzaj pola oprócz znanych magnetycznego, elektrycznego, grawitacyjnego... Cząstki oddziaływując z tym polem uzyskiwałyby masę. Cząstki oddziaływujące silnie z polem byłyby ciężkie a te oddziaływujące słabo lekkie. Pole Higgsa powiązane jest przynajmniej z jedną nową cząstką jest to cząstka Higgsa (bozon Higgsa). Detektor ATLAS powinien być w stanie wykryć tą cząstkę jeśli tylko istnieje. Przy projektowaniu tego detektora korzystano z pomocy pakietu Geant4.

Astronautyka

Sondy kosmiczne w czasie swoich misji są wystawione na wzmożone promieniowanie, które może chwilowo zakłócić działanie lub wywołać zniszczenia sondy. W większości misji mamy do czynienia z następującymi źródłami promieniowania:

Oddziaływanie tych cząstek z sondą może prowadzić do powstania promieniowania wtórnego, które może mieć większy efekt na aparaturę niż oryginalne promieniowanie. Ponieważ sondy kosmiczne muszą funkcjonować przez wiele lat bez możliwości napraw, istotne jest aby dokładnie znać środowisko w którym będą operować i potencjalne interakcje. Jest to szczególnie istotne teraz gdy czujniki i mikroelektronika, którą jesteśmy w stanie wytworzyć stała się bardzo czuła. Ze względu na ograniczone możliwości testów eksperymentalnych z pomocą przychodzą nam symulacje Monte Carlo. Są one w stanie dokładnie modelować fizykę promieniowania kosmicznego. European Space Agency (ESA) i NASA wykorzystuje do tego celu min. Geant4. [13]

XMM-Newton

XMM-Newton [14] jest satelitą wysłanym na orbitę 10 Grudnia 1999 roku przez European Space Agency. XMM oznacza X-ray Multi-Mirror. Jak nazwa wskazuje jest to teleskop Rentgenowski. Wiele obiektów kosmicznych emituje promieniowanie rentgenowskie. Jednakże promieniowanie to nie jest przepuszczane przez atmosferę ziemi. Dlatego aby je rejestrować, a przez to badać wysyłające je obiekty, należy umieścić detektory ponad atmosferą ziemską. XMM-Newton posiada zwierciadła które mają skupiać promieniowanie rentgena na czułych detektorach. Okazało się że nisko energetyczne protony mogą rozpraszać się pod małymi kątami od powłok tych zwierciadeł, a następnie docierać do detektorów. Takie protony ze względu na swoja niską energię mogą oddziaływać z detektorem inaczej niż przez jonizację co może prowadzić do uszkodzeń. Do takich wniosków doszła NASA analizując dane z znajdującego się na orbicie teleskopu rentgenowskiego Chandra. Protony o których mowa są uwięzione przez pole magnetyczne ziemi w postaci "van Allen Radiation Belts". Do zbadania tego efektu wykorzystano Geant4. XMM-Newton posiada trzy detektory. Symulacja pokazała iż dwa z nich były narażone na wspomniane promieniowanie protonowe. W wyniku symulacji okazało się że w przypadku detektora RGS nie ma zagrożenia poważnymi uszkodzeniami. W przypadku detektora EPIC można go uchronić przed uszkodzeniami stosując odpowiednie zabezpieczenia (detektory są wyłączane i ekranowane na czas przejścia przez pasy promieniowania). [4][10][13][14]

GLAST i AGILE

GLAST i AGILE są projektowanymi teleskopami promieniowania gamma. Przy ich projektowaniu wykorzystywany jest Geant4. [15][16]

Medycyna

Zbiór modeli fizycznych zawartych w Geant4, opisujących oddziaływania zarówno eleoktrosłabe jak i silne, może być wykorzystany w wielu aplikacjach medycznych, poczynając od radioterapii promieniami gamma aż po brachyterapię (wykorzystanie radioaktywnych źródeł). Narzędzia służące do opisu geometrii, materiałów i pól elektromagnetycznych pozwalają na precyzyjne modelowanie istniejących konfiguracji aparatury. Dodanie odpowiedniego interfejsu pozwala na automatyczne określanie geometrii na podstawie danych uzyskanych przy pomocy tomografii komputerowej. Wykonane symulacje i pomiary eksperymentalne dowodzą iż wykorzystanie symulacji Mote Carlo (Geant4) daje wyniki obarczone mniejszymi błędami w stosunku do dotychczasowo stosowanych aplikacji komercyjnych [18]. Przy czym należy zauważyć iż dla pewnych organów dawka promieniowania niższa o 5% od wymaganej może prowadzić do zmniejszenia skuteczności kuracji o 75%-50%. [4]

GATE

GATE - Geant4 Application for Tomographic Emission. GATE jest pakietem opartym na Geant4 który ma ułatwiać tworzenie aplikacji wykorzystywanych w medycynie nuklearnej. Stworzono go w głównej mierze aby istniała alternatywa dla kosztownych rozwiązań komercyjnych, oraz aby ułatwić korzystanie z możliwości programów symulacyjnych o szerokim zastosowaniu. Najważniejszymi modyfikacjami są:

[11][17]