Математические методы
и программное обеспечение для моделирования, обработки и анализа экспериментальных данных

Краткая аннотация и научное обоснование:
Проект направлен на организацию и обеспечение вычислительной поддержки подготовки и реализации физической программы исследований, проводимых с участием ОИЯИ, разработку и развитие математических методов и программного обеспечения для моделирования физических процессов и экспериментальных установок, обработки и анализа данных экспериментов в области физики элементарных частиц, ядерной физики, физики нейтрино, радиобиологии и др.  Особое внимание будет уделено созданию систем распределенной обработки и анализа данных экспериментов и информационно-вычислительных платформ поддержки исследований, проводимых в ОИЯИ и других исследовательских центрах.

Основные направления работы – математическая и вычислительная физика для поддержки крупных инфраструктурных проектов ОИЯИ, среди которых, в первую очередь, флагманский проект ОИЯИ NICA в режиме работы на фиксированной мишени (BM@N) и в режиме коллайдера для столкновений релятивистских тяжелых ионов (MPD) и на поляризованных пучках (SPD), нейтринный телескоп Baikal-GVD. Также будет продолжено сотрудничество с экспериментами в мировых ускорительных центрах (ЦЕРН, BNL и пр.), экспериментами в области физики нейтрино и астрофизических экспериментах, программами радиобиологических исследований. Рассматривается возможность применения разрабатываемых методик и алгоритмов в рамках других проектов мегасайенс (Супер чарм-тау фабрика, СКИФ и др.).

Ожидаемые результаты по завершении проекта:
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.

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.

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.

Создание и развитие систем обработки и анализа данных и современных инструментов исследований для международных коллабораций (NICA, нейтринная программа ОИЯИ, эксперименты на LHC).

Разработка алгоритмов и программного обеспечения для исследовательских проектов ОИЯИ в области нейтронной физики.

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:
Завершение ревизии модели Geant4 FTF, более точное задание функций фрагментации кварков и дикварков в странные частицы в модели Geant4 QGS, проведение численных экспериментов по рождению гиперядер.

Физический анализ данных, полученных в экспериментах NICA MPD, NICA BM@N и NA61/SHINE, в рамках модели Geant4 FTF.

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 решеточной модели ядра и перколяционной модели мультифрагментации.

Математическое моделирование рождения и идентификации нерезонансных дибарионов на установке NICA SPD.

Математическое моделирование событий выбивания пар высокоимпульсных нуклонов из атомных ядер ускоренными частицами. Подготовка наброска экспериментального предложения для установки NICA.

Оценка сечений процессов рождения частиц темной материи и новых скаляров в рамках расширенной двухдублетной хиггсовской модели (2HDM+a/S, генератор MadGraph) в канале рождения пары мюонов/b-кварков и недостающей энергии, проведение соответствующего моделирования и анализа данных при условиях RUN2/3 LHC.

Оценка сечений процессов рождения частиц темной материи и новых скаляров в рамках Inert Doublet Model в конечном состоянии с двумя мюонами и недостающей энергией, проведение соответствующего моделирования и анализа данных при условиях RUN2/3 LHC.

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 2025 г. на установке GIF++ в ЦЕРН и в протон-протонных соударениях пучков LHC. 

Разработка моделей машинного обучения и подходов их применения к идентификации частиц в BM@N на основе выборки, сбалансированной по типам классифицируемых частиц.

Нахождение поправочных параметров в координатном и угловом пространстве для геометрии 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 2024-2025 годах.

Внесение юстировочных поправок в геометрические модели микростриповых трековых детекторов FSD, GEM и CSC эксперимента BM@N, полученных в результате анализа восстановленных траекторий заряженных частиц на основе данных первого физического сеанса. Разработка и программная реализация методов моделирования и обработки данных для плоскости вершинного кремниевого детектора VSP для предстоящих сеансов эксперимента.

Переход от глобального классификатора, идентифицирующего частицы в MPD на полном диапазоне импульсов, к локальным классификаторам, основанным на градиентном бустинге и работающим в заданном диапазоне импульса с целью повышения эффективности распознавания частиц.

Модернизация программного комплекса эксперимента MPD для повышения точности и скорости реконструкции событий с помощью внедрения трекера ACTS в программную оболочку MPDroot. Интеграция последних версий внешних зависимостей в оболочку MPDRoot (ACTS, FairRoot, GEANT4, ROOT). Переход системы сборки на Alma Linux 9.5. 

Оптимизация кодов программ реконструкции траекторий заряженных частиц в трековой системе эксперимента SPD для ускорения процедуры офлайн обработки события.

Применение графовых нейронных сетей для распознавания траекторий заряженных частиц в эксперименте MPD.

Исследование свойств алгоритмов реконструкции струй/кластеров адронов в условиях SPD. Оценка сечений процесса прямого рождения фотона в кварк-глюонном рассеянии.  

Реализация модели обработки и хранения моделированных данных эксперимента SPD, актуальной на 2025-2026 год, на основе ранее созданного прототипа распределенной системы массовой обработки данных и нового прикладного ПО, созданного на программной платформе Gaudi.

Функциональное тестирование и отладка компонентов и интерфейсов между компонентами системы, обеспечивающей многоступенчатую обработку данных на кластере фильтрации событий в режиме реального времени SPD OnLine Filter.

Обеспечение необходимого уровня функционирования, отвечающего потребностям в массовом моделировании физических процессов эксперимента SPD в распределенной вычислительной среде на основе системы управления нагрузкой PanDA и системы управления данными на основе пакета RUCIO DDM. Развитие систем управления процессами обработки.

Адаптация программного кода реконструкции каскадов высоких энергий к быстрой системе обработки данных Baikal-GVD.

Разработка программ обработки данных для комплекса детекторов рассеяния, включая позиционно-чувствительный детектор прямого пучка.

Модернизация системы ATLAS CREST под новую архитектуру с классами Dto, развитие сервиса EventIndexPicking для выполнения тестов R2R4 Milestone, модификация TDAQ Resource manager для использования в Run4. Развитие и поддержка эксплуатации информационных систем экспериментов BM@N, MPD для описания геометрии установок, конфигурации детекторов, процесса менеджмента. Участие в разработке онлайн системы DAQ MDT.

Построение модели машинного обучения для задачи классификации адронов и гамма-квантов в эксперименте TAIGA.

Моделирование разрешения детектора ОЛВЭ-HERO для упрощенной модели различных размеров. 

Разработка математических методов и алгоритмов для реконструкции траекторий в задаче моделирования протонного цифрового томографа. 

Использование МБЭ-многочленов высоких порядков для совершенствования методики обработки реакторных данных и нейтронных шумов реактора ИБР-2М.

Разработка веб-сервиса для автоматизации анализа данных, получаемых с использованием тест-системы «Водный лабиринт Морриса» в экспериментах, направленных на изучение поведенческих реакций лабораторных животных, подверженных воздействию различных факторов. 

Исследования в области повышения точности моделей классификации болезней растений по фотографиям. Оценка влияния различных политик аугментации данных и механизмов внимания (attention mechanism) на показатели моделей.  

Исследования в области прогнозирования загрязнения почв с использованием данных дистанционного зондирования земли и различных методов машинного обучения. Улучшение существующего функционала и предоставление новых возможностей для контроля и прогнозирования состояния окружающей среды.  

Разработка алгоритма восстановления энергетического спектра нейтронов по результатам измерений спектрометром Боннера. 

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:
Разработка методов, алгоритмов и комплексов программ для проведения численных исследований взаимодействий различных типов в сложных системах ядерной физики и квантовой механики.

Методы моделирования многофакторных процессов в материалах и конденсированных средах под внешними воздействиями.

Методы решения задач моделирования при проектировании экспериментальных установок и оптимизации режимов их работы.

Методы моделирования сложных процессов в плотной ядерной материи на основе уравнения состояния.

Методы моделирования квантовых систем с применением методов квантовой теории информации и гибридных квантово-классических методов программирования.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:
Численное исследование реакций глубокого подбарьерного синтеза и квазиупругого рассеяния тяжелых ядер в рамках метода связанных каналов с оптическими потенциалами. Разработка алгоритмов и программ для вычисления в рамках геометрических коллективных моделей характеристик тяжелых ядер, включая ядро урана-238 с двухъямным потенциалом.

Разработка методов моделирования химических связей и реакций с участием тяжелых и сверхтяжелых элементов с целью интерпретации результатов термохроматографических экспериментов, проводимых в ЛЯР.

Исследование равновесных свойств и неравновесной динамики сложных статистических систем, включая атомные ловушки и гетерогенные нейронные сети, на основе оптимизированной теории возмущений.

Модификация метода и комплекса программ моделирования ядерных реакций в транспортно-статистическом подходе. Расчет физических характеристик процессов передачи и фрагментации в реакциях тяжелых ионов.

Исследование влияния ядерной среды на процессы упругого и неупругого взаимодействия протонов с ядрами в широком диапазоне энергий. Анализ наблюдаемых характеристик в реакциях различного типа с участием легких экзотических ядер.

Моделирование сложных процессов в материалах, облучаемых пучками тяжелых ионов, на основе комбинированного применения методов молекулярной динамики и механики сплошных сред. Развитие методов оценки распределения энергетических потерь облучающими частицами в таких процессах.

Моделирование сложных процессов в сверхпроводящих структурах различного типа. Разработка методов высокопроизводительных вычислений физических наблюдаемых в широком диапазоне параметров моделей джозефсоновских переходов. Разработка и программная реализация вычислительной схемы для моделирования динамики кольцевой системы параллельных j0-переходов. Исследование межвихревого взаимодействия в интертипных сверхпроводниках с примесями.

Разработка программного модуля аналитических вычислений с использованием Python-библиотек, позволяющего автоматизировать представление уравнений для численного моделирования цепочки наномагнитов, связанных с джозефсоновским переходом, с учетом различных типов взаимодействия между элементами.

Моделирование сложных процессов в физико-химических системах различного типа. Развитие методов высокопроизводительного численного исследования структуры и свойств везикулярных систем различного типа. Исследование методами молекулярной динамики взаимодействия бета-амилоидных пептидов с фосфолипидными мембранами в везикулярных, бицеллоподобных и бислойных структурах с целью изучения влияния заряда пептида и липида, а также состава липидов на это взаимодействие в различных термодинамических фазах липида. Получение на этой основе новой информации о структурных и динамических свойствах фосфолипидных мембран.

Численное исследование локализованных структур в системах, описываемых нелинейными динамическими уравнениями, включая периодические решения (осциллоны) в одно- и трехмерных моделях теории поля.

Разработка методов и программ для моделирования формирования магнитных полей изохронных циклотронов при различных режимах работы. Развитие методов конечных и граничных элементов в среде COMSOL для оптимизации расчётов электромагнитных и тепловых процессов сложных физических систем.

Разработка методов моделирования матричных элементов объемных интегральных уравнений магнитостатики. Проведение расчетов по оптимизации характеристик сверхпроводящих магнитов на основе трехмерного компьютерного моделирования.

Развитие эффективных методов решения уравнений, описывающих модели физических полей и режимы работы экспериментальных установок. Разработка высокопроизводительных методов численного решения эллиптических задач. Развитие и исследование свойств вычислительной схемы на основе квадратизации по Аппельроту и разностной схемы Кагана для численного интегрирования динамических систем с полиномиальной правой частью.

Исследование системы Эйнштейна-Максвелла-Дирака в рамках астрофизического и космологического гравитационного поля. Исследование свойств сверхпроводимости сильновзаимодействующей ядерной материи в недрах нейтронных звезд на основе автоматизированного отбора моделей охлаждения этих звезд. Введение критерия оценки адекватности моделей по соответствию наблюдаемым данным поверхностной температуры и возраста звезд.

Развитие моделей с нелокальным взаимодействием для описания спектра псевдоскалярных и векторных мезонов; вычисление на этой основе спектра масс, констант взаимодействия и других характеристик. Описание процессов рождения и диссоциации тяжелых кваркониев.

Разработка и усовершенствование алгоритма для моделирования трекинга частиц в рамках процессов, исследование которых планируется на установке NICA (SPD).  Исследование применимости Бьёркеновской модели к выживаемости J/ψ частиц в среде, образованной соударением тяжелых ионов при условиях NICA.

Разработка конструктивных методов описания составных конечномерных квантовых систем в рамках формализма Вейля – Швингера с использованием компьютерной алгебры и вычислительной теории групп.

Получение и применение функциональных соотношений для редукции многопетлевых Фейнмановских интегралов.

Разработка и реализация на квантовом полигоне МИВК квантовой схемы алгоритма QAOA для нахождения основного состояния модели Швингера с топологическим слагаемым.

Решение задачи оптимизации работы однокубитных вентилей под воздействием управляющего радиочастотного поля.

Сравнительный анализ квазивероятностных распределений в элементарных и составных конечномерных квантовых системах. 

Вычисление корреляции запутанность – положительность функции Вигнера для кудитов.