[論文レビュー] Allpix$^2$ -- Silicon Detector Monte Carlo Simulations for Particle Physics and Beyond

Simon Spannagel, P. Schütze|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle Detector Development and Performance被引用数 2

ひとこと要約

Allpix$^2$ は、Geant4 を用いた粒子相互作用のモデル化と TCAD 衍生の電場マップを統合した、オープンソースでモジュラーなシリコンピクセル検出器向けモンテカルロシミュレーションフレームワークです。モノリシックセンサーや電磁 calorimeter、中性子検出器といった複雑な検出器システムの高精度で並列化されたシミュレーションを可能にし、マルチコア対応、電荷再結合、イオン化のモデル化といった最近の進展を備えています。

ABSTRACT

Allpix$^2$ is a versatile, open-source simulation framework for silicon pixel detectors. Its goal is to ease the implementation of detailed simulations for both single sensors and morecomplex setups with multiple detectors. While originally created for silicon detectors in high-energy physics, it is capable of simulating a wide range of detector types for various applicationscenarios, through its interface to Geant4 to describe the interaction of particles with matter, and the different algorithms for charge transport and digitization. The simulation chain is arranged with the help of intuitive configuration files and an extensible system of modules, which implement the individual simulation steps. Detailed electric field maps imported from TCAD simulations can be used to precisely model the drift behavior of the charge carriers, bringing a new level of realism to the Monte Carlo simulation of particle detectors.Recently, Allpix$^2$ has seen major improvements to its core framework to take full advantage of multi- and many-core processor architectures for simulating events fully parallel. Furthermore, new physics models such as charge carrier recombination in silicon have been introduced, further extending the application range. This contribution provides an overview of the framework and its components, highlighting the versatility and recent developments.

研究の動機と目的

• 多様な実験的状況において、柔軟で拡張可能かつ保守可能なシリコンピクセル検出器シミュレーションフレームワークを提供すること。
• 人間が読みやすい設定ファイルと包括的なドキュメンテーションを用いることで、研究者の参入障壁を低減すること。
• TCAD 電場マップとの統合と検証済みの物理モデルを用いることで、シミュレーションの忠実度を向上させること。
• マルチコアおよびマニーコアアーキテクチャを対象とした、イベントレベルの完全並列化を可能にすることで、現代のコンputィング環境に対応すること。
• 高エネルギー物理学を越えて、中性子検出やエネルギー計測など、応用分野への適用可能性を拡大すること。

提案手法

• シミュレーションパイプラインの各段階に、設定可能でプラグイン可能なコンponentを備えたモジュラーなアーキテクチャを採用。
• 物質内での粒子相互作用とエネルギー損失をモデル化するため、Geant4 を統合。複雑な幾何構造と物理プロセスを抽象化。
• TCAD シミュレーションから得た詳細な電場マップを組み込み、空間的・時間的高分解能で電荷の移動と輸送をモデル化。
• ピクセルセンサでの信号応答をシミュレートするため、設定可能なデジタイゼーションおよびパルス形成アルゴリズムを採用。
• 新しい六角形および放射状ストリップレイアウトを含む、複数の検出器幾何形状をサポート。
• 電荷キャリアの再結合やインパルスイオン化といった高度な物理モデルを実装。主設定ファイルを通じてパラメータを設定可能。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュラーでオープンソースのシミュレーションフレームワークは、多様な検出器タイプにおいて、シミュレーションの再現可能性と保守性をどのように向上させるか？
• RQ2 トランジェント TCAD の計算コストをかけずに、TCAD 衍生の電場マップがモンテカルロシミュレーションの現実性をどの程度向上させるか？
• RQ3 電荷再結合やインパルスイオン化といった高度な物理モデルの統合は、高電場または新規センサ設計におけるシミュレーション精度をどのように向上させるか？
• RQ4 現代のマルチコアプロセッサをターゲットとした検出器シミュレーションフレームワークにおいて、イベントレベルの完全並列化によって得られる性能向上はどの程度か？
• RQ5 Allpix$^2$ は、電磁エネルギー計測器やマイクロ構造中性子検出器といった複雑な検出器システムの実験データを正確に再現できるか？

主な発見

• Allpix$^2$ 2.0 は、マルチコアおよびマニーコアアーキテクチャ上でイベントシミュレーションを完全に並列化でき、シミュレーションスループットを顕著に向上させた。
• EPICAL-2 電磁エネルギー計測器プロトタイプについて、シミュレート結果と測定結果の間に良好な一致が得られ、シャワーシミュレーションへの適用の妥当性が検証された。
• モノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）のシミュレーションは、TCAD 衍生の電場と現実的な信号形成モデルを用いて、時間応答分布を正確に再現した。
• 六角形ピクセル幾何形状の実装により、長方形ピクセルと比較して、ピクセルコーナーでの電場歪みが低減され、より一様なセンサ応答が実現された。
• インパルスイオン化モデルは現在も開発・検証が進められており、基準データや他のシミュレーションツールとの比較が行われており、Weightfield2 とのインターフェース実装中である。
• シミュレーションと測定性能の比較を通じて、基板のリジスティビティを決定する応用が成功裏に実施され、検出器開発におけるフレームワークの実用性が示された。