Методы, алгоритмы и программное обеспечение
для моделирования физических систем, математической обработки
и анализа экспериментальных данных

Участвующие страны и международные организации:

Армения, Беларусь, Болгария, Бразилия, Великобритания, Венгрия, Вьетнам, Германия, Грузия, Израиль, Италия, Казахстан, Канада, Китай, Литва, Молдова, Монголия, Польша, Россия, Румыния, Словакия, США, Таджикистан, Франция, ЦЕРН, Чехия, Швейцария, ЮАР, Япония.

Изучаемая проблема и основная цель исследований:

Проведение основополагающих перспективных и опережающих исследований в области вычислительной математики и физики, нацеленных на создание новых математических методов, алгоритмов и программ для решения актуальных задач, возникающих в ходе научных исследований в области экспериментальной и теоретической физики. Эти задачи связаны с широким спектром проводимых в рамках научных проектов, утвержденных для выполнения в течение семилетнего периода 2017–2023 гг. в ОИЯИ исследований в физике высоких энергий, ядерной физике, физике конденсированных сред и наноструктур, биофизике и информационных технологиях, решение которых неотделимо от использования вычислительной техники. Такими вопросами первостепенной важности в ОИЯИ являются проект NICA, нейтринная программа, нейтронные исследования, физика сверхтяжелых и экзотических ядер. Численные или символьно-численные вычисления будут выполняться на Многофункциональном информационно-вычислительном комплексе (МИВК), в первую очередь на гетерогенной вычислительной платформе HybriLIT (включающей в себя учебно-тестовый полигон и суперкомпьютер "Говорун") и создаваемой распределенной инфраструктуре Больших данных. В состав исследовательских коллективов входят как опытные ученые с выдающимися научными достижениями, так и увлеченные молодые ученые и инженеры. Запрашиваемое финансирование будет покрывать заработную плату, участие в научных конференциях, научные поездки и приобретение минимального количества персональных компьютеров и лицензий в рамках утвержденных ресурсов для ЛИТ-ОИЯИ. Отличительной особенностью исследований темы является тесное сотрудничество ЛИТ со всеми лабораториями Института, а также с институтами стран-участниц ОИЯИ.

Ожидаемые результаты по завершении этапов темы:

1. Разработка и использование математических и вычислительных методов для моделирования новых экспериментальных установок, ускорительных комплексов и их элементов, ядерно-физических процессов, сложных физических систем. Разработка новых и развитие существующих численных методов для эффективного учета особенностей физических процессов и их математических моделей: нелинейности, многопараметричности, существования критических режимов и фазовых переходов. Разработка параллельных алгоритмов и их реализации в программных пакетах, настроенных на использование современных аппаратных архитектур, в первую очередь – гетерогенной вычислительной платформы HybriLIT, для уточнения моделей, исследования возможностей их совместного использования и сравнения с экспериментальными данными.

2. Программные комплексы и математические методы для анализа экспериментальных данных: разработка новых математических методов для извлечения значимой информации из данных, получаемых в экспериментах, проводимых в ОИЯИ или с участием ОИЯИ; алгоритмы и комплексы программ для решения задач в физике высоких энергий, ядерной физике, физике конденсированных сред, физике радиационной биологии, в том числе на ускорительных комплексах LHC, NICA, FAIR, а также экспериментальных установках нейтринной программы ОИЯИ. Разработка алгоритмов нейронных сетей глубокого обучения станет важной частью этого этапа.

3. Разработки для многоядерных и гибридных архитектур включают: развитие и поддержка информационно-вычислительной среды гетерогенной вычислительной платформы HybriLIT, представляющей учебно-тестовый полигон и суперкомпьютер "Говорун", развитие численных методов, алгоритмов и комплексов программ, разрабатываемых на основе технологий параллельного программирования при помощи OpenMP, MPI, CUDA/OpenCL, методов машинного обучения и глубокого обучения (ML/DL), предназначенных для эффективного использования многоядерных и гибридных архитектур с целью решения массивно-параллельных, ресурсоемких задач теоретической и экспериментальной физики с учетом тенденций развития вычислительных архитектур и IT-технологий, позволяющих реализовать необходимую функциональность для разнообразных высокопроизводительных вычислительных средств и существенно ускорить решение широкого спектра задач, стоящих перед ОИЯИ.
   
   Аналитика Больших данных: разработка концепции и поэтапная реализация в рамках подхода Больших данных масштабируемой программно-аналитической платформы для сбора, хранения, обработки, анализа, поиска значимой информации и визуализации результатов для экспериментов MPD и BM@N на ускорительном комплексе NICA и группы экспериментов нейтринной программы ОИЯИ; разработка методов и программного обеспечения для эффективного применения аналитики Больших данных; создание системы для интеллектуального мониторинга распределенных вычислительных систем на основе платформы аналитики Больших данных с использованием потоковых данных и методов анализа временных рядов.
   
   

4. Развитие методов, алгоритмов и программного обеспечения компьютерной алгебры и квантовых вычислений для моделирования квантовых информационных процессов; создание алгоритмов и программ символьно-численного решения задач, возникающих в экспериментальных и теоретических исследованиях, с использованием новейших вычислительных аппаратных ресурсов, включая гетерогенную платформу HybriLIT.

Ожидаемые результаты по этапам темы в текущем году:

1. Трехмерное компьютерное моделирование сверхпроводящих магнитов в рамках проектов NICA (ОИЯИ) и FAIR (GSI, Дармштадт). Построение карт распределения магнитного поля в рабочих областях магнитов с целью дальнейшего их применения для моделирования физических процессов. 

Решение нестандартных задач магнитостатики, возникающих из-за ROT-асимметрии при делении тяжелых ядер.

Разработка комплексной модели изохронного циклотрона с использованием пакета COMSOL Multiphysics.

Развитие математической модели и расчёт динамики пучков в изохронных циклотронах на основе использования уравнений движения.

Математическое моделирование магнитных полей в изучении поляризационных явлений и спиновых эффектов.

Обобщение модели Намбу–Иона-Лазинио с петлей Полякова для анализа экспериментальных данных, возникающих в результате столкновений тяжелых ионов в области энергий коллайдера NICA. 

Исследование изменений дефектных структур под действием облучения в рамках метода молекулярной динамики. 

Численное моделирование воздействия двойного фемтосекундного лазерного импульса на мишени из различных материалов.

Численное моделирование перемагничивания в наномагнитных материалах с использованием эффекта чирпирования.

Компьютерное моделирование квантовых твердых тел с дислокациями, обладающими сверхтекучими свойствами.

Исследование ядерно-физических процессов на основе гибридного микроскопического потенциала с использованием различных моделей плотности сталкивающихся ядер.

Численное исследование структуры фосфолипидных мембран в везикулярных системах по данным малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей.

Разработка робастных численных методов исследования сложных процессов в слоистых джозефсоновских структурах и системах сверхпроводящей спинтроники.

Численный анализ частицеподобных решений в многомерной теории поля и уединенных волн в моделях конденсированных сред. 

Численное исследование  основных  характеристик  электромагнитных  каскадных  ливней  в области  энергий  Е ≥ 10¹⁵ эВ.

Поиск решений типа черных дыр, червоточин и солитонов из самосогласованной системы уравнений Эйнштейна-Максвелла-Дирака.

Обновление программы первичной обработки SAS для спектрометра ЮМО реактора ИБР-2М для обработки данных с позиционно-чувствительного детектора в случае анизотропно рассеивающих образцов. 

Развитие программы FITTER за счет увеличения числа теоретических моделей, улучшения её производительности и GPU интерфейса для обработки экспериментальных данных.

Разработка метода экстраполяции в рамках метода базисных элементов (МБЭ) на неравномерных трехточечных сетках для обработки данных и численного решения задач обыкновенных дифференциальных уравнений.

Продолжение работ по использованию МБЭ для обработки и анализа нейтронных шумов реактора ИБР-2М. 

Применение МБЭ для аппроксимации зависимости энергетических потерь заряженных частиц в ионизационной камере (эксперимент STAR).

Реализация байесовской автоматической адаптивной квадратуры с двумя интерполяционными правилами. 

Моделирование взаимодействия электронов с решеткой в лазере на свободных электронах типа Смита-Перселла.

Разработка методов извлечения спектра масс нейтронных звезд на основе сравнения результатов моделирования эволюции их охлаждения с данными наблюдений поверхностных температур пульсаров. 

Моделирование реакций фрагментации тяжелых ионов в смешанном транспортно-статистическом подходе.

Численный анализ параметров кристаллического поля в магнитных редкоземельных системах с помощью методов квантовой химии.

Численное исследование рассеяния электронов на много-волнистой графеновой структуре.

2. Настройка моделей FTF и QGS пакета Geant4 для рождения очарованных частиц.

Моделирование и анализ ядро-ядерных взаимодействий при энергиях NICA в адронных моделях Geant4 – FTF и QGS.

Дальнейшее расширение Монте-Карло генератора столкновений тяжелых ионов DCM-SMM функциями, обусловленными потребностями проектов NICA.

Использование DCM-SMM для массового моделирования событий для BM@N, SRC и MPD и участие в анализе данных с экспериментов, проводимых на этих установках.

Разработка алгоритмов юстировки время-проекционной камеры детектора MPD. 

Дальнейшее развитие комплекса баз данных для экспериментов СВМ, BM@N и MPD.

Разработка и имплементация алгоритмов моделирования и реконструкции данных в трековых детекторах эксперимента BM@N.

Моделирование методом Монте-Карло в рамках фреймворка FAIRRoot и Geant4 экспериментов с прототипом детектора ОЛВЭ-HERO в ходе тестирований на ускорителе SPS в ЦЕРН.

Разработка методов и алгоритмов для идентификации распределения направлений прибытия космических лучей по данным спутникового эксперимента НУКЛОН раздельно для событий с адронными и электромагнитными ливнями.

Поддержка программного обеспечения эксперимента ATLAS: развитие и сопровождение настройки и управления ATLAS TDAQ, проекта EventIndex для подготовки к RUN3, формата данных CREST и клиентской библиотеки CREST.

Разработка методов оценки характеристик катодно-стриповых камер с обновленной электроникой в эксперименте CMS.

Разработка моделей, методов, алгоритмов и программного обеспечения для отбора редких процессов в эксперименте СВМ.

3. Развитие методов и алгоритмов машинного и глубокого обучения, а также алгоритмов на базе компьютерного зрения для автоматизации анализа данных радиобиологических исследований лабораторных животных и радиобиологических экспериментов.

Разработка эффективных, масштабируемых алгоритмов на основе нейросетевого подхода для задач реконструкции множественных треков в экспериментах физики высоких энергий, в том числе для мегапроекта NICA.

Оптимизация наиболее затратных по времени частей алгоритмов, использующихся для моделирования и реконструкций событий в экспериментах NICA при помощи технологий высокопроизводительных вычислений, таких как OpenMP, MPI, CUDA/OpenCL.

Применение методов машинного обучения для моделирования и анализа свойств линейных структур в массовом распределении продуктов ядерных реакций. 

Дальнейшая разработка методов и алгоритмов машинного и глубокого обучения для прогнозирования состояния окружающей среды и определения болезней растений.

Развитие и реализация гибридных алгоритмов с конечными и граничными элементами для эффективного решения сложных нелинейных проблем магнитостатики с высоко-аспектными геометриями в среде COMSOL Multiphysics.

Применение параллельного метода асинхронной дифференциальной эволюции и других методов минимизации для исследования многопараметрических моделей ядерной физики и физики конденсированного состояния.

Развитие методов и комплексов программ для высокопроизводительного исследования многопараметрических физических моделей, описываемых системами нелинейных дифференциальных уравнений (включая модели сверхпроводящих структур и газогидродинамики в пористых средах).

Разработка и реализация параллельных алгоритмов и программ для молекулярно-динамического моделирования дефектных структур на платформе HybriLIT. 

Адаптация для GPU компоненты платформы HybriLIT набора инструментов ROOT, предназначенных для максимально правдоподобного фитирования и моделирования ожидаемого распределения событий в физическом анализе.

Завершение разработки параллельной версии программы для столкновений тяжелых ионов и её включение в библиотеку программного обеспечения JINRLIB.

Разработка параллельных алгоритмов для больших случайных матриц.

Решение мульти-физических задач в рамках проектирования ускорителей, дозиметрии и радиационной безопасности.

Разработка параллельных алгоритмов и программ для высокоточного решения нелинейных задач магнитостатики с помощью разрывного метода высокого порядка аппроксимации и двухуровневых методов декомпозиции области.

Продолжение разработки параллельных алгоритмов решения оптимизационных задач по байесовскому выбору наилучших модельных параметров ядерной материи для исследований моделирования столкновений тяжелых ионов и астрофизики компактных звезд.

Применение минимальной информационной энтропии как критерия выбора кода к итерационному процессу декодирования кодов с малой плотностью проверок на чётность (LDPC).

Разработка вычислительных схем минимакс оптимизации для вычисления релятивистских энергий основного и возбужденного состояний одноэлектронных гомоядерных сверхтяжёлых димеров и тримеров.

Исследование возможности использования библиотечных программ на Фортране (из JINRLIB, CERNLIB) современными языками программирования (Python, C#).

Численное моделирование комптоновской двойной ионизации атомов гелия вблизи порога.

Развитие прототипа системы интеллектуального мониторинга распределенных вычислительных систем для потоковых данных (компьютерная инфраструктура, сети передачи данных, информационная безопасность).

Применение методов и технологий машинного обучения и искусственного интеллекта для оптимизации функционирования и обеспечения безопасности распределенного компьютинга физических экспериментов.

Развитие алгоритмов моделирования, реконструкции и классификации/идентификации событий, а также подходов и методов интеллектуального мониторинга детекторов физических экспериментов на гибридных системах.

Выбор и внедрение решения бизнес-аналитики для гетерогенной вычислительной среды, позволяющей решать задачи анализа и визуализации результатов физических экспериментов, систем мониторинга и других приложений.

Применение созданных методов и алгоритмов аналитики Больших данных к решению актуальных прикладных задач из других областей науки, в том числе для социально-экономических исследований.

4. Анализ ошибок, вносимых оборудованием 5-кубитных квантовых компьютеров фирмы IBM, на примерах квантовой телепортации.

Разработка квантовых алгоритмов свёртки тензорных сетей для моделирования фазовых переходов в КХД на решётке.

Расчет показателей неклассичности малоразмерных квантовых систем, основанных на отрицательности функций Вигнера.

Сравнительный анализ вероятности сепарабельности/перепутанности с показателями некласcичности малоразмерных квантовых систем.

Приложение метода эволюционных уравнений Боголюбова в квантовой теории поля к описанию открытых конечномерных квантовых систем.

Разработка и реализация алгоритмов изучения запутанности в моделях квантовых систем, основанных на унитарных представлениях сплетений конечных групп. 

Разработка и реализация новых эффективных алгоритмов исследования и решения систем нелинейных алгебраических уравнений, основанных на использовании ресурсов GRID среды и на построении нового инволютивного деления мономов.

Разработка новых конечноэлементных схем, ориентированных на расчёт спектра коллективной модели ядра.

Вывод функциональных уравнений для 5-ти и 6-ти точечных однопетлевых фейнмановских интегралов с массивными пропагаторами.

Сотрудничество по теме: