Краткая аннотация и научное обоснование:

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

1. Ревизия генераторов взаимодействий и их развитие для моделирования процессов взаимодействий легких и тяжелых ядер, в том числе при энергиях NICA (FTF, QGSM, DCM-QGSM-SMM и др.), и процессов за рамками Стандартной  модели, таких как  рождения частиц-кандидатов на роль темной материи, дополнительных хиггсовских бозонов и процессов, идущих с нарушением лептонного числа и пр. (QBH, Pythia, MadGraph и др.) для условий LHC при номинальной энергии и полной интегральной светимости до 450 фбн^-1.
2. Разработка алгоритмов реконструкции треков заряженных частиц для экспериментальных комплексов, в том числе на NICA и LHC, создание соответствующего программного обеспечения и его применение для обработки и анализа данных, изучения физико-технических характеристик детекторных систем
3. Разработка масштабируемых алгоритмов и программного обеспечения для обработки многопараметрических, многомерных, иерархических наборов данных эксабайтного объема, в том числе на основе рекуррентных и сверточных нейронных сетей, для задач машинного и глубокого обучения, предназначенных в первую очередь для решения различных задач в экспериментах по физике частиц, в том числе для мегапроекта NICA и нейтринных экспериментов.
4. Создание и развитие систем обработки и анализа данных и современных инструментов исследований для международных коллабораций (NICA, нейтринная программа ОИЯИ, эксперименты на LHC).
5. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для исследовательских проектов ОИЯИ в области нейтронной физики.
6. Разработка алгоритмов, программного обеспечения и информационно-вычислительных платформ для радиобиологических исследований, прикладных исследований в области протонной терапии и экологии.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

− ревизия программной реализации моделей FTF и QGSM, анализ информации по структуре легких гипер-ядер, создание дополнительных программных модулей;

– учет различных эффектов в генераторе DCM-QGSM-SMM: зависимости времени жизни резонансов от плотности ядерной среды, подавление сечения рождения псевдоскалярных мезонов и усиление рождения гиперонов в плотной ядерной среде, деформации ядер;

– разработка программы моделирования событий, указанных в предыдущем пункте, с учётом физических характеристик установки NICA SPD;

– оценка сечений и проведение моделирования процессов рождения частиц темной материи в рамках расширенной двухдублетной хиггсовской модели (генератор MadGraph)

– отладка процедуры тестирования чувствительных элементов калориметра высокой гранулярности эксперимента CMS, включая реконструкцию треков и оценку эффективности каждой ячейки детектора;

– разработка и отладка алгоритмов и методов реконструкции траекторий мюонов в катодно-стриповых камерах (КСК) мюонной системы эксперимента CMS для сравнения непрерывного и дискретного подходов вейвлет-анализа для разделения перекрывающихся сигналов, оценки пространственного разрешения камер КСК и эффекта их старения на данных, полученных в 2024 г. на установке GIF++ в ЦЕРН и в протон-протон соударениях пучков LHC;

– оптимизация на наборах данных 2022-2023 гг. алгоритмов локальной реконструкции треков в дрейфовых камерах DCH и CSC эксперимента BM@N, их сшивка с сцинтилляционными детекторами для глобальной реконструкции и идентификации частиц, юстировка детекторов и оценка параметров их работы;

– нахождение и проверка поправочных параметров для детекторов STS и GEM эксперимента BM@N, разработка и программная реализация методов моделирования и обработки данных, а также их развитие и адаптация для актуальных конфигураций ряда трекинговых детекторов GEM и Silicon Profilometer в 2023-2024 годах;

– исследование эффективности применения методов машинного обучения, основанных на деревьях решений, для задачи идентификации частиц в эксперименте MPD;

– оптимизация программной платформы эксперимента MPD: разработка и внедрение в MPDRoot основных правил ООП, унифицированных тестов алгоритмов и взаимодействия классов и пр.;

– разработка и обучение нейросети для поиска и восстановления треков в вершинном детекторе и трекере установки SPD, восстановления кластеров в электромагнитном калориметре и в мюонной системе SPD;

– разработка модели обработки и хранения данных эксперимента SPD: конкретизация типов и форматов данных, оценка вычислительных затрат на обработку на каждом этапе преобразования данных, формулировка технических требований к системе отбора данных в режиме реального времени, распределенной системе обработки и хранения данных и программному обеспечению для оффлайн-обработки;

– создание прототипа системы, обеспечивающей многоступенчатую обработку данных на кластере фильтрации событий в режиме реального времени SPD OnLine Filter;

– создание прототипов системы управления задачами SPD на основе пакета PanDA и системы управления данными на основе пакета RUCIO DDM;

– завершение разработки прототипа системы обработки данных Байкальского телескопа;

– создание тестового пакета программ первичной обработки малоугловых экспериментальных данных спектрометра ЮМО для многодетекторной системы с позиционно-чувствительным детектором;

– разработка библиотеки С++ по конвертации в JSON данных состояний (condition data), получаемых в онлайн режиме, реализация преобразования данных DCS в CREST. Модификация алгоритмов пакета Athena, использующих COOL, под CREST. Развитие и поддержка эксплуатации информационных систем экспериментов BM@N, MPD для описания геометрии установок, конфигурации детекторов, процесса менеджмента;

– исследование уровня фона от космических протонов для обсерватории TAIGA, оценка числа испарительных нейтронов и изучение их взаимодействия в детекторе ОЛВЭ-HERO;

– анализ тестовых данных прототипа цифрового калориметра для протонной терапии, разработка алгоритма на основе клеточного автомата для распознавания и реконструкции треков;

– применение кусочно-полиномиальной аппроксимации на основе метода базисных элементов высоких порядков для обработки и анализа нейтронных шумов реактора ИБР-2М;

– разработка модуля для поведенческого анализа, который позволит автоматизировать анализ видеоданных, получаемых при тестировании лабораторных животных в различных тест-системах;

– применение алгоритмов автоматического подбора оптимальных политик аугментации данных, апробирование различные функции минимизации потерь, определение наиболее эффективных методов классификации изображений с болезнями растений;

– улучшение существующего функционала и предоставление новых возможностей для контроля и прогнозирования состояния окружающей среды. Автоматизация процесса мониторинга с использованием моделирования.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Проект направлен на разработку и применение математических и вычислительных методов для моделирования сложных физических систем, изучаемых в рамках ПТП ОИЯИ и описываемых системами динамических нелинейных, пространственно неодномерных интегральных, интегро-дифференциальных или дифференциальных уравнений, зависящих от параметров моделей. Эволюция решений таких систем может характеризоваться наличием критических режимов, бифуркаций и фазовых переходов. Математическое моделирование является неотъемлемой частью современных научных исследований и требует адекватной математической постановки задач в рамках изучаемых моделей, адаптации известных и развития новых численных подходов для эффективного учета особенностей исследуемых физических процессов, разработки алгоритмов и комплексов программ для высокопроизводительного моделирования на современных вычислительных системах, включая ресурсы Многофункционального информационно-вычислительного комплекса ОИЯИ.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

1. Разработка методов, алгоритмов и комплексов программ для проведения численных исследований взаимодействий различных типов в сложных системах ядерной физики и квантовой механики.
2. Методы моделирования многофакторных процессов в материалах и конденсированных средах под внешними воздействиями.
3. Методы решения задач моделирования при проектировании экспериментальных установок и оптимизации режимов их работы.
4. Методы моделирования сложных процессов в плотной ядерной материи на основе уравнения состояния.
5. Методы моделирования квантовых систем с применением методов квантовой теории информации и гибридных квантово-классических методов программирования.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

 – разработка математической постановки задачи в рамках метода сильной связи каналов с оптическим потенциалом Вудса–Саксона и регулярными граничными условиями для моделирования подбарьерных реакций слияния и деления тяжелых ионов;

– разработка методов и проведение расчетов энергии адсорбции на слое Au тяжелых и сверхтяжелых атомов;

– развитие и оптимизация метода автомодельных приближений для решения нелинейных уравнений, не содержащих малых параметров и описывающих квантово-механические системы, включая спиновые ансамбли и холодные атомы в ловушках;

– разработка метода и программы, инициирующей в рамках транспортно-статистического подхода начальное состояние сталкивающихся ядер с ядерными потенциалами, которые используются для дальнейшего расчета динамики столкновений;

– моделирование протон-ядерных взаимодействий на основе микроскопической модели оптического потенциала в широком диапазоне энергий и атомных номеров ядер-мишеней для исследования влияния ядерной среды на процессы рассеяния протонов на внутриядерных нуклонах;

– исследование динамики ударной волны в облучаемом материале на основе модели, описываемой комбинацией уравнений молекулярной динамики, уравнений теплопроводности и волновых уравнений. Определение параметров волнового уравнения по результатам численного решения молекулярно-динамических уравнений;

– моделирование взаимодействия бета-амилоидных и антимикробных пептидов с фосфолипидными мембранами в везикулярных и бицеллярных структурах в рамках крупнозернистой модели; исследование динамических свойств данного взаимодействия на основе расчета фононных спектров систем; построение профиля свободной энергии процесса вытягивания пептида из мембраны в зависимости от расстояния между центрами масс и конформацией пептида (replica exchange umbrella sampling);

– исследование локализованных структур в системах, описываемых нелинейными уравнениями теории поля с диссипацией и внешними воздействиями. Исследование влияния кулоновского потенциала на процесс формирования гидратированного электрона на основе модифицированной поляронной модели, расчет наблюдаемых характеристик этого процесса;

– адаптация пакета COMSOL Multiphysics® на гетерогенной платформе HybriLIT вычислительного комплекса МИВК с целью повышения эффективности расчётов и уменьшения затрат вычислительных ресурсов за счет использования смешанной векторно-скалярной формулировки магнитостатики и гибридного метода конечных и граничных элементов;

– разработка и программная реализация разностных схем для решения краевой задачи для уравнения 4го порядка, описывающих распределение физических полей в 2D и 3D областях различных конфигураций.

– разработка методов и исследование формирования магнитных полей изохронных циклотронов при различных режимах работы. Подготовка инструкции и оформление для передачи в библиотеку JINRLIB программы CORD (Closed ORbit Dynamics), реализующей расчеты по исследованию влияния бетатронных колебаний и фазового движения частиц пучка на магнитное поле циклотрона MSC230;

– адаптация нейросетевого подхода к приближенному вычислению многократных интегралов, возникающих при исследовании выживаемости пионов в соударениях тяжелых ионов; исследование методов обобщения разработанной ранее модели кварк-адронного фазового перехода в холодной ядерной материи на конечные температуры;

– моделирование и расчет значений космологического красного смещения на основе уравнения состояния; исследование возможности восстановления спектра масс изолированных нейтронных звезд по данным о возрасте и поверхностной температуре пульсаров на основе моделирования их температурной эволюции; моделирование процессов рассеяния и рождения частиц в плотной и горячей ядерной материи;

– разработка алгоритма троттеризации оператора эволюции для уравнений фон Неймана и Линдблада и реализация соответствующей квантовой схемы на квантовом симуляторе в среде QISKit. Повышение производительности симулятора квантовой схемы за счет увеличения скорости симуляции на многопроцессорных системах;

– создание пакета модулей, предназначенных для разложения квантовой системы на подсистемы на основе применения тензорных произведений представлений сплетений конечных циклических групп;

– определение взаимосвязи характеристик запутанности составных квантовых систем и отрицательности квазивероятностных распределений Вигнера. Разработка метода функциональной редукции для двухпетлевых Фейнмановских интегралов и его применение для вычисления интегралов, соответствующих диаграммам с четырьмя и пятью внешними линиями.