GPUを用いた大強度陽子ビーム損失の高速シミュレータの実現

Publicly Offered Research

Project Area	Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
Project/Area Number	21H00085
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Science and Engineering
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	栗本佳典大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 准教授 (70597559)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2022-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000) Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords	多粒子追跡シミュレーション / 陽子加速器 / シンクロトロン / 多体数値計算 / GPU
Outline of Research at the Start	本研究では、大強度陽子加速器における陽子の運動をシミュレートするソフトウェアを開発する。この際、GPU（Graphic Processing Unit）上で動作するようにプログラミングすることによって、高速なシミュレーションを可能にする。さらに、開発したシミュレーションソフトウェアを、実際の加速器であるJ-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex）のメインリングのビーム調整に使用し、シミュレーションの信頼性を高めるとともにビーム大強度化に貢献する。
Outline of Annual Research Achievements	空間電荷効果を伴う粒子追跡シミュレーションは、高強度の陽子リングにとって非常に重要である。単一粒子のハミルトン力学だけでなく、電荷密度分布の作成やポアソン方程式の解法による空間電荷による電磁場の取得など、非常に計算機のパワーがいる。そこで、グラフィックスプロセッシングユニット（GPU）で実行可能な粒子追跡シミュレーションコードを開発した。通常、この種類のシミュレーションでは多数の陽子の電磁ポテンシャルの影響が強いバンチ内の粒子の運動をシミュレーションするが、加速器ダクトの境界条件が周波数依存する事実を利用して多バンチ効果を含めることに成功した。具体的には、磁場のDC成分はダクトを通過し、磁極との境界条件で分布が決まるが、DC成分はリング内の全電流を平均したものであるので、その成分だけは単バンチ粒子数ではなくリング内全バンチ粒子相当とすることで、多バンチの影響を含むことができる。実際に多バンチ効果は実験的にコヒーレントチューンシフトのバンチ数依存性が報告されており、そのデータを本研究で開発したシミュレーションで示すことができた。結果は、日本加速器学会第18回年次大会で報告した。
Research Progress Status	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。