«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. Проект представлен на международной конференции по вычислительным методам в физике высоких энергий CHEP-2026 в Бангкоке — крупнейшем отраслевом форуме в мире. Технология включена в официальный релиз международной библиотеки Geant4 версии 11.4, используемой для расчетов в ядерной медицине и физике высоких энергий», — отметили в пресс-службе.
Соавторами работы выступили заместитель директора Центра научного программирования МФТИ Александр Светличный и студент магистратуры Артемий Новиков.
«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, 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», -рассказал Светличный.
Быстрее рассчитать и скорректировать
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.
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 физтеховцы полностью переписали алгоритм на современном C++, сделав его эффективнее: итоговая версия занимает в памяти меньше 25 мегабайт и работает значительно быстрее предшественницы.
«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», — отметил Новиков.
В ближайших планах авторов — 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 область — 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.
