Nuevas variantes y optimización de métodos QSS para Geant4 : simulación por cuantificación de estados para física de altas energías

Autores
Grynberg Portnoy, Matías
Año de publicación
2025
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis de grado
Estado
versión publicada
Colaborador/a o director/a de tesis
Castro, Rodrigo Daniel
Descripción
La simulación del movimiento de partículas en campos magnéticos es una tarea fundamental en física, típicamente abordada con métodos numéricos clásicos como los algoritmos de la familia Runge-Kutta. Sin embargo, estos métodos enfrentan algunas limitaciones importantes, particularmente en presencia de discontinuidades geométricas muy frecuentes, donde su costo computacional aumenta significativamente. En contraste, los métodos Quantized State System (QSS) ofrecen una alternativa eficiente que discretiza el espacio de estados mientras mantiene el tiempo continuo, permitiendo una mayor eficiencia en ciertos escenarios específicos. Esta Tesis se centra en explorar y proponer optimizaciones para la familia de métodos QSS con el objetivo de hacerlos más competitivos en el contexto de la biblioteca Geant4 de simulación de trayectoria de partículas. Las contribuciones incluyen: una reimplementación más eficiente del código de QSS (newQSS) preexistente para Geant4, la nueva variante HelixQSS (que combina trayectorias helicoidales con QSS) y la nueva variante RotationQSS (que incorpora cambios de sistema de coordenadas para mejorar la precisión). Además, se realiza un análisis exhaustivo de la eficiencia de estas variantes en términos de su desempeño y precisión. Los resultados muestran avances relevantes en la eficiencia y calidad aportadas por estos nuevos métodos QSS respecto de la implementación previa disponible para Geant4, siendo en algunos casos más competitivos que los métodos clásicos. newQSS mostró obtener mejores resultados en términos de performance que la implementación original de QSS sin sacrificar calidad. Sin embargo, esta ventaja es especialmente dependiente de las características del campo magnético. HelixQSS resulta ser una alternativa prometedora para expandir QSS combinándolo con métodos numéricos clásicos, en este caso con estrategias que aprovechan la existencia de soluciones exactas para campos constantes. Los resultados mostraron ventajas notables en términos de performance. Sin embargo, las heurísticas propuestas no se adecúan bien a campos magnéticos variables, disminuyendo su precisión. Con respecto a RotationQSS, logra obtener soluciones de mejor calidad que QSS tradicional ante las mismas configuraciones de parámetros. A pesar de reducir ciertos cómputos inherentes a QSS, la propia mecánica del cambio de coordenadas se refleja en un mayor número de operaciones. Esto conlleva que haya logrado mejorar la eficiencia neta en pocos casos de los ejemplos estudiados en comparación con newQSS. Los resultados aquí presentados revelan que, ante situaciones de alta proporción de interpolaciones (requeridas por tratamiento de discontinuidades), los nuevos steppers resultan competitivos respecto de los métodos tradicionales. En contraste, para bajas cantidades de interpolaciones (y como es de esperar), las estrategias derivadas de la integración por cuantificación de estados no ofrecen ventajas en términos de desempeño respecto de los métodos clásicos de orden superior. Los nuevos métodos propuestos en esta Tesis abren la puerta a nuevas líneas de trabajo para extender y mejorar las variantes presentadas, estableciendo una base prometedora para la evolución de los métodos QSS en simulaciones de trayectorias de partículas.
Fil: Grynberg Portnoy, Matías. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
Materia
QUANTIZED STATE SYSTEM
SIMULACION DE PARTICULAS
FISICA DE ALTAS ENERGIAS
GEANT4
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar
Repositorio
Biblioteca Digital (UBA-FCEN)
Institución
Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
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