Plateforme de simulation en physique des accélérateurs

Septembre 2011

Olivier Dadoun, Christian Helft, Guy Le Meur, Antoine Pérus, François Touze, Alessandro Variola

Introduction

Ce document définit les grandes lignes d'un projet de développement et mise en oeuvre d'une ressource de simulation de phénomènes physiques régissant le fonctionnement des accélérateurs de particules. Cette ressource, tout en apportant une nouvelle approche interactive de la façon dont sont conçues les nouvelles machines, reposera sur une réutilisation aussi exhaustive que possible des codes existants.

La conception des accélérateurs modernes nécessite la simulation détaillée d'un nombre croissant de nouveaux types de composants et de phénomènes intervenant dans l'accélération et le transport de particules chargées. De plus, en fonction des résultats attendus, le même phénomène peut être simulé selon différents modèles en utilisant différents algorithmes. Il en résulte que la simulation intégrée d'un accélérateur de particules dépend d'une multitude de paramètres et doit gérer un degré de complexité très élevé. Il importe alors que puissent être mis en oeuvre des ensembles de logiciels articulés de manière cohérente, permettant éventuellement des confrontations répétées entre divers choix de modélisation et, par conséquent rapidement accessibles aux utilisateurs. Pour ce faire, la communauté des physiciens des accélérateurs dispose aujourd'hui d'un ensemble important de logiciels de conception de machines, fruit d'une expertise accumulée au cours des trois ou quatre dernières décennies. Malheureusement, cet ensemble reste aujourd'hui essentiellement virtuel, par le fait d'une importante dissémination des ressources et de diverses difficultés d'accès : dispersion des codes dans différents laboratoires, multiplicité de versions d'un même code, implémentations dépendantes des environnements informa tiques, manque de publicité, manque de documentation etc.

Dans ce contexte, l'efficacité des équipes du laboratoire dans le domaine de la conception et construction d'accélérateurs pourrait être grandement favorisée si elles pouvaient disposer d'un outil rationalisé et moderne de mise à disposition d'un ensemble coordonné de ces codes de simulation. L'expertise du LAL, tant dans le domaine de la physique que celui de la mise en oeuvre informatique, pour peu qu'on la maintienne et l'amplifie quelque peu, autoriserait le lancement d'une initiative visant à mettre en place ce serveur de simulation, qui ne manquerait pas d'intéresser, à terme, l'ensemble de la communauté internationale de physique des accélérateurs.

Dans ce but, nous proposons un projet de plateforme de simulation en physique des accélérateurs, sous la forme d'un portail WEB. Ce portail fournirait l'accès à un ensemble, initialement réduit, puis enrichi progressivement, de différents logiciels permettant à terme la simulation complète d'un accélérateur. Le principe en serait que chacun des logiciels proposés soit disponible sous une forme directement exécutable (de manière transparente à l'utilisateur), accompagné d'une documentation suffisante sur le type de modélisation employée et les conditions d'utilisation. Cette plateforme pourrait offrir la possibilité de construire interactivement une machine, de définir indépendamment les traitements physiques à appliquer sur différentes sections de cette machine, de vérifier la cohérence de la suite de logiciels mis en oeuvre par l'utilisateur, de lancer l'exécution et d'effectuer une analyse, éventuellement graphique, des résultats produits. Bien entendu, ce type de calcul devrait pouvoir être réitéré en variant des paramètres sur une gamme définie par l'utilisateur. Une interconnexion avec des ressources significatives de calcul réparti fait partie du projet.

Conception générale

L'objectif essentiel du dispositif proposé est de dégager, dans la mesure du possible, le physicien des accélérateurs des préoccupations de caractère informatique inhérentes à la mise en oeuvre coordonnée, au sein d'une même simulation, de multiples logiciels conçus a priori dans un contexte de fonctionne ment autonome.

Dans cette perspective, il s'agit de découpler la description des éléments optiques de la machine d'une part et la description des traitements des processus physiques à appliquer sur les différentes portions de ladite machine d'autre part. Formellement, on peut imaginer une palette d'éléments optiques permet tant de construire une séquence constituant la machine ou une section de machine. Une fois cette opération effectuée, l'utilisateur pourrait définir des portions de cette machine et désigner, pour chacune, le logiciel applicable parmi un ensemble proposé par une seconde palette.

La simulation proprement dite est constituée d'un enchaînement particulier de différents logiciels, construit à l'aide de « wrappers ».

Outre les écrans permettant de fonctionner selon le mode qui vient d'être brièvement décrit, le portail doit donner accès notamment aux éléments suivants :

• Une documentation générale concernant l'usage du portail
• Une documentation spécifique à chaque logiciel, notamment sur le type de modélisation utilisé (c'est à dire, en fait, la documentation officielle du logiciel existant, éventuellement commentée et enrichie par les utilisateurs eux mêmes).
• Définition interactive des paramètres et gammes de variations
• Sauvegarde des données et possibilité de reprise de la simulation
• Analyse graphique des résultats

Maquette

La phase initiale du projet consiste en la fabrication d'une maquette mettant en jeu deux logiciels représentatifs, PARMELA et TRANSPORT, relevant de deux types de modélisations contrastées (méthode pas à pas et matricielle) utilisant des représentations de faisceau radicalement différentes. Le but de cette maquette est de mettre en place les principaux concepts et d'en évaluer la pertinence. Elle constitue le noyau initial sur lequel l'ensemble du projet pourra se déployer.