Heavy-ion collision simulation with QMD

Presentation on theme: "Heavy-ion collision simulation with QMD"— Presentation transcript:

1 Heavy-ion collision simulation with QMD
Kyungil Kim NPS2019

2 Ni+Ni Experiment with FOPI
NPS2019

3 Ni+Ni Experiment with FOPI
NPS2019

4 핵물리학교 2019 NPS2019 2019-06-28 윤진희 핵물리학계의 현황 라온이 잘 건설되기를 기원해 주셨음 이창환
중력파의 검출과 이를 활용한 중성자별의 모양 변화 연구 중성자별의 상태방정식과 존재 관찰 상태방정식을 연구하기 위해 강한 상호작용의 규명과 이를 이용한 핵물질 연구가 필요 김영만 강한 상호작용 연구의 어려움과 QCD 진공 평균장 모형을 이용한 연구와 이를 넘어선 새로운 연구들 아직 규명해야 할 성질들이 많이 남아있음 NPS2019

5 핵물리학교 2019 NPS2019 2019-06-28 전상용 핵이송이론의 유도와 분포 함수 등의 이해
코드 작성을 위한 팁과 간단한 코드의 실행 및 이해 BUU 방정식의 이해 RTF 를 이용한 핵의 구조 계산 김영진 대칭에너지와 관련한 핵물리 현상 이를 연구하기 위한 라온의 검출기 개발과 현황 김상열 핵물리를 위한 Electronics NPS2019

6 핵이송모형 시뮬레이션 핵이송모형 평균장 대칭에너지연구 핵실험 전산모사 코딩 핵물질 NPS2019

7 강의목표 NPS2019 2019-06-28 배포해드린 코드는 외부 유출을 삼가해주시기 바랍니다.
시뮬레이션 코드의 필요성을 이해한다. QMD 와 BUU 모형 간의 차이에 대해 이해한다. 코드의 작성과 실행에 필요한 내용을 이해한다. 실제 QMD 코드를 실행해보고 실험데이터와 비교해 본다. 배포해드린 코드는 외부 유출을 삼가해주시기 바랍니다. NPS2019

8 시뮬레이션 코드는 왜 필요하고, 우리는 어떤 시뮬레이션 코드를 필요로 하는가? NPS2019

9 슈퍼컴퓨터의 시대! NPS2019 2019-06-28 손으로 할 수 있는 계산은 이미 전 세대가 다 해 두었음
컴퓨터의 활용이 매우 중요한 시대 이론, 실험 모두 연구를 위해 컴퓨터가 필수가 되었으며, 그 발달 속도가 매우 빠름 연구실에 가르쳐 줄 사람이 없어 맨땅에 헤딩도… 새로운 분야로 규정하기까지 하는 시뮬레이션 이론 실험 시뮬레이션 NPS2019

10 QMD Simulation NPS2019

11 ? 시뮬레이션 코드의 필요성 NPS2019 2019-06-28 빔-표적 실험장치에서 검출
예) 실험에서는 빔-표적 간의 충돌 거리 (impact parameter) 를 어떻게 알까? NPS2019

12 시뮬레이션 코드의 필요성 NPS2019 2019-06-28 실험의 예측과 분석을 위한 전산모사
실험의 분석을 위한 이벤트 생성기 실험과 이론 모형의 비교를 위한 연구 최적의 빔에너지 혹은 빔-표적 조합을 찾기 위한 전산모사 실험이 불가한 영역의 연구를 위한 모의 실험실 비대칭이 심한 핵물질에 대한 연구 … NPS2019

13 시뮬레이션 코드의 정확도 NPS2019 2019-06-28 시뮬레이션 코드는 정말 정확한가? 생각보다 별로…
정확도를 높이기 위해서는? 강한 상호작용을 완벽히 기술 할수록 정확! 엄청난 양의 계산량 요구 적당한 정도의 근사가 필요 실험값에서 외삽한 모형 vs 핵력의 기술에서 시작한 모형 NPS2019

14 에너지 영역에 따른 모형의 차이 NPS2019 2019-06-28 *빔에너지 기준 Kinetic Energy λ=h/p
1 MeV 3 x m 10 MeV 9 x m 100 MeV 3 x m 1 GeV 7 x m NPS2019

15 에너지 영역에 따른 모형의 차이 NPS2019 2019-06-28 *빔에너지 기준 수 MeV/n 이하
주로 파동의 성질 (핵구조, 양자역학 등) 이 중요한 영역 수 MeV/n~300 MeV/n (라온의 빔 에너지 영역) 입자의 성질과 파동의 성질이 모두 중요한 영역 아직 파이온 등의 입자가 만들어지기 전 단계 비상대론적 해석이 유효 300 MeV/n 이상 입자의 성질이 중요 파이온 등의 입자 생성이 중요 NPS2019

16 Transport Model (BUU and QMD) !!
우리가 필요로 하는 시뮬레이션 모형 꽤 실험을 잘 설명할 수 있으면서, 여러가지 이론적인 가설을 시험할 수 있고, 현재의 빔에너지 영역에 맞는 물리가 잘 포함되어 있으며, 현재의 컴퓨터가 한정된 시간 내에서 계산해 낼 수 있는, Transport Model (BUU and QMD) !! NPS2019

17 BUU 모형과 QMD 모형의 차이 NPS2019

18 BUU vs QMD NPS2019 2019-06-28 statistically good!
One nucleon N test particles One nucleon One nucleon moving in the mean field n-body Hamiltonian based statistically good! event by event analysis! NPS2019

19 BUU vs QMD NPS2019 2019-06-28 statistically good!
1개의 핵자를 1/n 의 확률을 가지는 n개의 시험입자로 나누어 분포시킴 평균장을 계산하고 이 속을 움직이는 1-body 방정식을 계산하여 시간 진행. 통계적으로 안정적이며, 입자 수에 대한 계산시간 증가량도 적은 편. <Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck> One nucleon N test particles moving in the mean field statistically good! NPS2019

20 BUU vs QMD NPS2019 2019-06-28 <Quantum Molecular Dynamics>
One nucleon One nucleon n-body Hamiltonian based NPS2019

21 코드의 작성과 실행 NPS2019

22 슈퍼컴퓨터(클러스터)의 구조 NPS2019 2019-06-28 외부 사용자 관리 및 접속용 서버 계산 분배 계산용 컴퓨터
(사진. KISTI 누리온) NPS2019

23 슈퍼컴퓨터 = n * 개인용 컴퓨터 NPS2019 2019-06-28 요즘 개인용 컴퓨터 코어1 - 게임
코어2 – 유튜브 방송 코어3 – 인터넷 서핑 슈퍼컴퓨터는 이러한 일을 수 만개 한꺼번에 할 수 있는 병렬컴퓨터 !! NPS2019

24 슈퍼컴퓨터(클러스터)의 구조 NPS2019

25 개인용 컴퓨터로는 계산이 안되나요? NPS2019 2019-06-28 From danawa.com
개인용 컴퓨터에서도 시뮬레이션 계산이 가능. NPS2019

26 병렬계산- OpenMP vs MPI and GPU
OpenMP : Open Multi-Processing 하나의 메인보드 안에서 (한 노드 안에서) 계산을 분배 해주기 위한 방식 (메모리 공유) 컴파일러 안에 대체로 내재되어 있기 때문에 별다른 설치없이 프로그램 서두에 선언하는 방식으로 사용이 가능 비교적 계산을 분배하는 방식이 간단 MPI : Message Passing Interface 하나의 노드 안에서 뿐 아니라 여러 노드까지 확장하여 계산을 분배하기 위한 방식 (메모리 비공유) OpenMPI, MPICH 등의 프로그램을 추가로 설치하여 사용 계산을 분배하는 방식 및 데이터를 주고 받는 형식에 대한 공부가 필요 클러스터 등의 슈퍼컴퓨터를 활용하기 위해서는 필수 GPU : Graphics Processing Unit 그래픽카드에서 화면에 출력할 내용을 연산하던 장치로 근래에 와서 병렬 계산을 위해 활용 비교적 계산 속도가 느린 수십~수백 개의 CPU가 함께 계산을 수행하는 형태 NPS2019

27 코드의 실행 mpirun (or mpiexec) –np 4 –host localhost ./raqmd NPS2019

28 데이터 분석 및 도식화 NPS2019

29 시뮬레이션과 실험의 비교 NPS2019

30 Quantum Molecular Dynamics
Gaussian w.f. Nucleon -> Gaussian wave packet Skyrme parametrization for NN potential Ref.) M. Papa PRC 64(2010)024612 NPS2019

31 Quantum Molecular Dynamics
<Initialization> Gaussian w.f. d > 1.5 fm ‘R’ from Thomas-Fermi model momentum of a nucleon is also chosen in the range of 0~ Only the set which gives the binding energy within 5% difference with experimental (or theoretical) data will be selected. NPS2019

32 Quantum Molecular Dynamics
<Stability check> 197Au 40Ca NPS2019

33 Quantum Molecular Dynamics
ref. J. Xu, et al. PRC 93 (2016) Our QMD NPS2019

34 Quantum Molecular Dynamics
<Equation of Motion> NPS2019

35 Quantum Molecular Dynamics
In classical scattering, r1 b 𝑏< 𝑟 1 + 𝑟 2 r2 Two particles are always scattered. 𝜎= π 𝑟 1 + 𝑟 2 2 In our model, If a distance, d, between two nucleons is smaller than b, d<b, a collision is always tried. Here, 𝝈 𝒕𝒐𝒕 is in-medium cross-section. NPS2019

36 Quantum Molecular Dynamics
Ref.) G.Li and R.Machleidt PRC 48, 1702, PRC 49, 566 NPS2019

37 Quantum Molecular Dynamics
<x-space> <p-space> <Phase space density for i th particle> Occupation number NPS2019

38 Quantum Molecular Dynamics
w/o collisions w/ collisions NPS2019

39 Quantum Molecular Dynamics
<Minimum Spanning Tree (MST)> Disconnected if a length is larger than 3.5 fm. GEMINI – Statistical evaporation calculation program -> Using a second de-excitation code NPS2019

40 Quantum Molecular Dynamics
40Ca (140 MeV/n) +9Be Projectile fragmentation NPS2019

41 Ni+Ni Experiment with FOPI
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42 Thank you for your attention
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