Geant4の使い方

Geant4は高エネルギー物理学分野で利用されている測定器シミュレーションのツールキットです。

日本ではKEKを中心としたGeant4日本グループが定期的に初心者向け講習会を開催しています。 僕も2009年12月に開催された講習会に参加しましたが、プログラミング超初心者だったので、 自分がわからないこともわからないレベルでかなり苦労（というか挫折）した覚えがあります。

宇宙線測定のアウトリーチ活動を進めるにつれて、簡単でよいので測定器シミュレーションができたらもっと楽しいだろうなと思い、使い方の理解＆整理に再挑戦してみます。 ここでは、Geant4日本グループが公開している初心者講習会資料を参考にしています。

インストール

基本的に自分でビルドしてインストールする必要があります。 spackというスパコン向けのパッケージ管理ツールでのインストールを試してみたので、おまけ程度に載せておきます。

• Geant4のバージョン
• インストールしたい（geant4）
• インストールしたい（spack install geant4）
• 環境変数したい（geant4.sh）

エラー対処

遭遇したエラーと対処方法をまとめました。

• エラー対処
  • No “FindGeant4.cmake”
  • C compiler - broken
  • No LC_RPATH’s found
  • No “Qt5CoreConfig.cmake”

知っておきたかったこと

• ドキュメントの頼りかた
• クラスリファレンスの使い方
• シミュレーションの流れ
• オススメの可視化ドライバー
• クラスの自作度
• シングルトン・パターン
• C++の豆知識
• 文字列操作したい（G4String）
• 単位したい（G4SystemOfUnits.hh）
• 物理定数したい（G4PhysicalConstants.hh）

例題したい

• 付属サンプルの遊び方（examples）
• ビルドしたい（cmake）
• B1したい（examples/basic/B1/）
• B2したい（examples/basic/B2）
• B3したい（examples/basic/B3）
• B4したい（examples/basic/B4）
• B5したい（examples/basic/B5）
• AnaEx03したい（extended/analysis/AnaEx03/）

実験したい

• メイン関数したい（main()）
• 測定器したい（G4VUserDetectorConstruction）
• 相互作用したい（G4VModularPhysicsList）
• ユーザーアクションしたい（G4VUserActionInitialization）
• 粒子生成したい（G4VUserPrimaryGeneratorAction）
• ランアクションしたい（G4UserRunAction）
• イベントアクションしたい（G4UserEventAction）
• トラッキングアクションしたい（G4UserTrackingAction）
• ステッピングアクションしたい（G4UserSteppingAction）

ステップ操作したい

• ラン操作したい（G4Run）
• イベント操作したい（G4Event）
• トラック操作したい（G4Track）
• ステップ操作したい（G4Step）

マクロしたい

• 起動マクロしたい（setup.mac）
• 描画設定したい（/vis/）
• メニューしたい（/gui/）

マネージャー操作したい

• RunManagerしたい（G4RunManagerFactory）
• ファイル出力したい（G4VAnalysisManager）
• 入射粒子したい（G4ParticleGun）

ジオメトリ操作したい

auto* rm = G4RunManagerFactory::CreateRunManager();
auto* detector = new DetectorConstruction;
rm->SetUserInitialization(detector);

• ジオメトリを作成したい
  • 形状を作成したい（G4VSolid）
  • 素材を作成したい（G4Material）
  • 測定器を作成したい（G4LogicalVolume）
  • 測定器を配置する（G4PVPlacement）
  • リファレンス
• 形状を作成する（G4VSolid）
  • 四角柱したい（G4Box）
  • 円柱したい（G4Tubs）
  • リファレンス
• 論理ボリュームしたい（G4LogicalVolume）
  • 論理ボリュームの質量をしりたい（GetMass）
  • 論理ボリュームの外観を設定したい（SetVisAttributes）
  • 論理ボリュームにSensitiveDetectorを設定したい（SetSensitiveDetector）
  • 論理ボリュームに電磁場を設定したい（SetFieldManager）
  • どこからでも論理ボリュームしたい（G4LogicalVolumeStore）
  • リファレンス
• 物理ボリュームしたい（G4VPhysicalVolume）
  • 物理ボリュームを配置したい（G4PVPlacement）
  • 物理ボリュームを複製したい（G4PVReplica）
• タッチャブルしたい（G4TouchableHistory）
  • リファレンス
• ジオメトリの具体例
  • 実験室を作りたい（SetupWorldVolume）
  • 水タンクを作りたい（SetupTankVolume）
  • PMTを作りたい（SetupPmtWindow）
  • 電磁カロリメーターしたい
  • ホドスコープを作りたい
  • 量子効率したい
  • 磁場したい（G4UniformMagField）

SensitiveDetectorしたい

• 有感検出器したい
  • SensitiveDetectorしたい（G4VSensitiveDetector）
  • ヒット情報したい（G4VHit）
  • ヒット配列したい（G4VHitsCollection / G4THitsCollection）
  • メモリ割り当てしたい（G4Allocator）
  • 描画したい（G4VHit::Draw）
  • 出力したい（G4VHit::Print）
  • SDManagerしたい（G4SDManager）
  • ヒット辞書したい（G4THitsMap）
  • イベントのヒット配列したい（G4HCofThisEvent）
• 有感検出器の具体例
  • データを詰めたい（SensorHit::Fill）
  • CSV文字列にしたい（SensorHit::ToCsvString）
  • LTSV文字列にしたい（SensorHit::ToLtsvString）
  • ヒットの判断したい（Sensor::ProcessHits）

マテリアル操作したい

auto nm = new G4NistManager::Instance();
auto air = nm->FindOrBuildMaterial("G4_AIR");

• マテリアルしたい（G4Material）
  • 定義済みのマテリアルを使いたい（G4NistManager::Instance）
  • 材料を確認したい（G4Material::GetMaterialTable）
  • 化合物したい（G4Material）
  • 元素したい（G4Material）
  • 同位体したい（G4Isotope）
  • マテリアルのプロパティしたい（G4MaterialPropertiesTable）
• マテリアルの具体例
  • アクリルを作りたい（G4_PLEXIGLASS）
  • 空気を作りたい（G4_AIR）
  • エタノールを作りたい（G4_ETHYL_ALCOHOL）
  • ホウケイ酸ガラスを作りたい
  • 石油を作りたい
  • プラスチックシンチレータを作りたい
  • 真空を作りたい（G4_Galactic）
  • 水を作りたい（G4_WATER）

相互作用したい

auto* rm = G4RunManagerFactory::CreateRunManager();
auto* physics = new FTFP_BERT{};
rm->SetUserInitialization(physics);

• 相互作用したい
  • FTFP_BERTしたい（FTFP_BERT）
  • OpticalPhysicsしたい（G4OpticalPhysics）
• 相互作用の具体例
  • ボソンしたい（ConstructBosons）
  • レプトンしたい（ConstructLeptons）
  • 中間子したい（ConstructMesons）
  • バリオンしたい（ConstructBaryons）

入射粒子したい

• 入射粒子したい
  • 入射粒子したい（G4ParticleGun）
  • 入射粒子を分布したい（G4GeneralParticleSource）
  • カスタム入射したい（G4PrimaryParticle / G4PrimaryVertex）
  • 粒子したい（G4ParticleTable）
• 入射粒子の具体例
  • 宇宙線ミューオンしたい
  • geantinoしたい

記録したい

• スコアリングの流れ
• 自作ヒットしたい（std::tuple）
• 多機能検出器したい（G4MultiFunctionalDetector）
• Accumulableしたい（G4Accumulable）

可視化したい

• 可視化したい（G4VisManager）
  • リファレンス
• 可視化したい（G4VisAttributes）

乱数したい

• 乱数したい（G4Random::getTheSeed）
• 方向をランダムにしたい（G4RandomDirection）
• 位置をランダムにした（G4PlaneVectorRandom）

対話モードしたい

• 対話モードしたい
  • 終了したい（exit）
  • Qtウィンドウしたい（/vis/open）
  • ランを開始したい（/run/beamOn）
  • 粒子数を変更したい（/gun/number）
  • 粒子を変更したい（/gun/particle）
  • 入射エネルギーを変更したい（/gun/energy）
  • 入射位置を変更したい（/gun/position）
  • 入射方向を変更したい（/gun/direction）
  • 利用できる粒子を確認したい（/particle/list）
  • カット長を確認したい（/cuts/dump）
• マクロしたい（/control/execute）
  • 表示レベルを変更したい（/*/verbose）
  • エイリアスしたい（/control/alias）
  • コマンド履歴したい（/control/saveHistory）
  • データを保存したい（/analysis/）
  • 起動時にマクロしたい（G4UIManager）

外部ライブラリしたい

• CMake Toolsしたい
• 可変長配列したい（std::vector）
• 辞書型配列したい（std::map）
• ファイル操作したい（std::fstream）
• 時間操作したい（std::chrono）
• ロガーしたい（loguru::loguru）
• オプション解析したい（cxxopts）
• TOMLしたい（TOML++）

リファレンス

• Geant4

• Geant4 Download

• Geant4 Book for Application Developers

• Geant4 Material Database

• Geant4 初心者講習会（Geant4 v10.0対応）

• Geant4 初心者講習会・研究会2024（Geant4 v11.2準拠）