Highly-parallelized simulation of a pixelated LArTPC on a GPU

Abed Abud A.; Abi B.; Acciarri R.; Acero M.A.; Adames M.R.; Adamov G.; Adamowski M.; Adams D.; Adinolfi M.; Adriano C.; Aduszkiewicz A.; Aguilar J.; Ahmad Z.; Ahmed J.; Aimard B.; Akbar F.; Allison K.; Alonso Monsalve S.; Alrashed M.; Alt C.; Alton A.; Alvarez R.; Amedo P.; Anderson J.; Andrade D.A.; Andreopoulos C.; Andreotti M.; Andrews M.P.; Andrianala F.; Andringa S.; Anfimov N.; Anicézio Campanelli W.L.; Ankowski A.; Antoniassi M.; Antonova M.; Antoshkin A.; Antusch S.; Aranda-Fernandez A.; Arellano L.; Arnold L.O.; Arroyave M.A.; Asaadi J.; Ashkenazi A.; Asquith L.; Aurisano A.; Aushev V.; Autiero D.; Ayala-Torres M.; Azfar F.; Back A.; Back H.; Back J.J.; Bagaturia I.; Bagby L.; Balashov N.; Balasubramanian S.; Baldi P.; Baldini W.; Baller B.; Bambah B.; Barao F.; Barenboim G.; Barham Alzás P.; Barker G.J.; Barkhouse W.; Barnes C.; Barr G.; Barranco Monarca J.; Barros A.; Barros N.; Barrow J.L.; Basharina-Freshville A.; Bashyal A.; Basque V.; Batchelor C.; Battat J.B.R.; Battisti F.; Bay F.; Bazetto M.C.Q.; Bazo Alba J.L.L.; Beacom J.F.; Bechetoille E.; Behera B.; Belchior E.; Bellantoni L.; Bellettini G.; Bellini V.; Beltramello O.; Benekos N.; Benitez Montiel C.; Benjamin D.; Bento Neves F.; Berger J.; Berkman S.; Bernardini P.; Berner R.M.; Bersani A.; Bertolucci S.; Betancourt M.; Betancur Rodríguez A.; Bevan A.; Bezawada Y.; Bezerra A.T.; Bezerra T.J.; Bhambure J.; Bhardwaj A.; Bhatnagar V.; Bhattacharjee M.; Bhattacharya M.; Bhattarai D.; Bhuller S.; Bhuyan B.; Biagi S.; Bian J.; Biassoni M.; Biery K.; Bilki B.; Bishai M.; Bisignani V.; Bitadze A.; Blake A.; Blaszczyk F.D.; Blazey G.C.; Blend D.; Blucher E.; Boissevain J.; Bolognesi S.; Bolton T.; Bomben L.; Bonesini M.; Bonilla-Diaz C.; Bonini F.; Booth A.; Boran F.; Bordoni S.; Borkum A.; Bostan N.; Bour P.; Boyden D.; Bracinik J.; Braga D.; Brailsford D.; Branca A.; Brandt A.; Bravo-Moreno M.; Bremer J.; Brew C.; Brice S.J.; Brizzolari C.; Bromberg C.; Brooke J.; Bross A.; Brunetti G.; Brunetti M.; Buchanan N.; 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Convery M.; Copello S.; Cova P.; Cox C.; Cremaldi L.; Cremonesi L.; Crespo-Anadón J.I.; Crisler M.; Cristaldo E.; Crnkovic J.; Crone G.; Cross R.; Cudd A.; Cuesta C.; Cui Y.; Cussans D.; Dai J.; Dalager O.; Dallavalle R.; Da Motta H.; Dar Z.A.; Darby R.; Da Silva Peres L.; David C.; David Q.; Davies G.S.; Davini S.; Dawson J.; De K.; De S.; De Aguiar R.; De Almeida P.; Debbins P.; De Bonis I.; Decowski M.P.; De Gouvêa A.; De Holanda P.C.; De Icaza Astiz I.L.; Deisting A.; De Jong P.; De La Torre A.; Delbart A.; De Leo V.; Delepine D.; Delgado M.; Dell'Acqua A.; Delmonte N.; De Lurgio P.; De Mello Neto J.R.T.; Demuth D.M.; Dennis S.; Densham C.; Denton P.; Deptuch G.W.; De Roeck A.; De Romeri V.; De Souza G.; Detje J.P.; Devi R.; Dharmapalan R.; Dias M.; Díaz J.S.; Díaz F.; Di Capua F.; Di Domenico A.; Di Domizio S.; Di Falco S.; Di Giulio L.; Ding P.; Di Noto L.; Diociaiuti E.; Distefano C.; Diurba R.; Diwan M.; Djurcic Z.; Doering D.; Dolan S.; Dolek F.; Dolinski M.J.; Domenici D.; Domine L.; Donati S.; Donon Y.; Doran S.; Douglas D.; Dragone A.; Drielsma F.; Duarte L.; Duchesneau D.; Duffy K.; Dugas K.; Dunne P.; Dutta B.; Duyang H.; Dvornikov O.; Dwyer D.A.; Dyshkant A.S.; Eads M.; Earle A.; Edmunds D.; Eisch J.; Emberger L.; Englezos P.; Ereditato A.; Erjavec T.; Escobar C.O.; Evans J.J.; Ewart E.; Ezeribe A.C.; Fahey K.; Fajt L.; Falcone A.; Fani M.; Farnese C.; Farzan Y.; Fedoseev D.; Felix J.; Feng Y.; Fernandez-Martinez E.; Ferraro F.; Fields L.; Filip P.; Filkins A.; Filthaut F.; Fine R.; Fiorillo G.; Fiorini M.; Fischer V.; Fitzpatrick R.S.; Flanagan W.; Fleming B.; Flight R.; Fogarty S.; Foreman W.; Fowler J.; Franc J.; Franco D.; Freeman J.; Fried J.; Friedland A.; Fuess S.; Furic I.K.; Furman K.; Furmanski A.P.; Gabrielli A.; Gago A.; Gallagher H.; Gallas A.; Gallego-Ros A.; Gallice N.; Galymov V.; Gamberini E.; Gamble T.; Ganacim F.; Gandhi R.; Ganguly S.; Gao F.; Gao S.; Garcia-Gamez D.; García-Peris M.Á.; Gardiner S.; Gastler D.; Gauch A.; Gauvreau J.; Gauzzi P.; Ge G.; Geffroy N.; Gelli B.; Gendotti A.; Gent S.; Gerlach L.; Ghorbani-Moghaddam Z.; Giammaria P.; Giammaria T.; Giangiacomi N.; Gibin D.; Gil-Botella I.; Gilligan S.; Gioiosa A.; Giovannella S.; Girerd C.; Giri A.K.; Gnani D.; Gogota O.; Gold M.; Gollapinni S.; Gollwitzer K.; Gomes R.A.; Gomez Bermeo L.V.; Gomez Fajardo L.S.; Gonnella F.; Gonzalez-Diaz D.; Gonzalez-Lopez M.; Goodman M.C.; Goodwin O.; Goswami S.; Gotti C.; Goudeau J.; Goudzovski E.; Grace C.; Gran R.; Granados E.; Granger P.; Grant C.; Gratieri D.; Green P.; Greenberg S.; Greenler L.; Greer J.; Grenard J.; Griffith W.C.; Groetschla F.T.; Groh M.; Grzelak K.; Gu W.; Guarino V.; Guarise M.; Guenette R.; Guerard E.; Guerzoni M.; Guffanti D.; Guglielmi A.; Guo B.; Gupta A.; Gupta V.; Guthikonda K.K.; Guzowski P.; Guzzo M.M.; Gwon S.; Ha C.; Haaf K.; Habig A.; Hadavand H.; Hadef A.; Haenni R.; Hagaman L.; Hahn A.; Haiston J.; Hamacher-Baumann P.; Hamernik T.; Hamilton P.; Han J.; Hancock J.; Happacher F.; Harris D.A.; Hartnell J.; Hartnett T.; Harton J.; Hasegawa T.; Hasnip C.; Hatcher R.; Hatfield K.W.; Hatzikoutelis A.; Hayes C.; Hayrapetyan K.; Hays J.; Hazen E.; He M.; Heavey A.; Heeger K.M.; Heise J.; Henry S.; Hernandez Morquecho M.A.; Herner K.; Hewes V.; Hilgenberg C.; Hill T.; Hillier S.J.; Himmel A.; Hinkle E.; Hirsch L.R.; Ho J.; Hoff J.; Holin A.; Holvey T.; Hoppe E.; Horton-Smith G.A.; Hostert M.; Houdy T.; Hourlier A.; Howard B.; Howell R.; Hoyos Barrios J.; Hristova I.; Hronek M.S.; Huang J.; Huang R.G.; Hulcher Z.; Iles G.; Ilic N.; Iliescu A.M.; Illingworth R.; Ingratta G.; Ioannisian A.; Irwin B.; Isenhower L.; Ismerio Oliveira M.; Itay R.; Jackson C.M.; Jain V.; James E.; Jang W.; Jargowsky B.; Jediny F.; Jena D.; Jeong Y.S.; Jesús-Valls C.; Ji X.; Jiang J.; Jiang L.; Jipa A.; Jo J.H.; Joaquim F.R.; Johnson W.; Jones B.; Jones R.; Jovancevic N.; Judah M.; Jung C.K.; Junk T.; Jwa Y.; Kabirnezhad M.; Kaboth A.; Kadenko I.; Kakorin I.; Kalitkina A.; Kalra D.; Kamer Koseyan O.; Kamiya F.; Kaplan D.M.; Karagiorgi G.; Karaman G.; Karcher A.; Karyotakis Y.; Kasai S.; Kasetti S.P.; Kashur L.; Katsioulas I.; Kazaryan N.; Kearns E.; Keener P.; Kelly K.J.; Kemp E.; Kemularia O.; Kermaidic Y.; Ketchum W.; Kettell S.H.; Khabibullin M.; Khotjantsev A.; Khvedelidze A.; Kim D.; King B.; Kirby B.; Kirby M.; Klein J.; Kleykamp J.; Klustova A.; Kobilarcik T.; Koehler K.; Koerner L.W.; Koh D.H.; Kohn S.; Koller P.P.; Kolupaeva L.; Korablev D.; Kordosky M.; Kosc T.; Kose U.; Kostelecký V.A.; Kothekar K.; Kotler I.; Kozhukalov V.; Kralik R.; Kreczko L.; Krennrich F.; Kreslo I.; Kropp W.; Kroupova T.; Kubu M.; Kudenko Y.; Kudryavtsev V.A.; Kuhlmann S.; Kulagin S.; Kumar J.; Kumar P.; Kunze P.; Kuravi R.; Kurita N.; Kuruppu C.; Kus V.; Kutter T.; Kvasnicka J.; Kwak D.; Lambert A.; Land B.J.; Lane C.E.; Lang K.; Langford T.; Langstaff M.; Lanni F.; Lantwin O.; Larkin J.; Lasorak P.; Last D.; Laundrie A.; Laurenti G.; Lawrence A.; Laycock P.; Lazanu I.; Lazzaroni M.; Le T.; Leardini S.; Learned J.; Lebrun P.; Lecompte T.; Lee C.; Legin V.; Lehmann Miotto G.; Lehnert R.; Leigui De Oliveira M.A.; Leitner M.; Lepin L.M.; Li S.W.; Li Y.; Liao H.; Lin C.S.; Lin S.; Lindebaum D.; Lineros R.A.; Ling J.; Lister A.; Littlejohn B.R.; Liu J.; Liu Y.; Lockwitz S.; Loew T.; Lokajicek M.; Lomidze I.; Long K.; Lord T.; Losecco J.M.; Louis W.C.; Lu X.-G.; Luk K.B.; Lunday B.; Luo X.; Luppi E.; Lux T.; Luzio V.P.; Maalmi J.; Macfarlane D.; Machado A.A.; Machado P.; Macias C.T.; Macier J.R.; Macmahon M.; Maddalena A.; Madera A.; Madigan P.; Magill S.; Mahn K.; Maio A.; Major A.; Majumdar K.; Maloney J.A.; Man M.; Mandrioli G.; Mandujano R.C.; Maneira J.; Manenti L.; Manly S.; Mann A.; Manolopoulos K.; Manrique Plata M.; Manyam V.N.; Marchan M.; Marchionni A.; Marciano W.; Marfatia D.; Mariani C.; Maricic J.; Marinho F.; Marino A.D.; Markiewicz T.; Marsden D.; Marshak M.; Marshall C.M.; Marshall J.; Marteau J.; Martín-Albo J.; Martinez N.; Martinez Caicedo D.A.; Martínez López F.; Martínez Miravé P.; Martynenko S.; Mascagna V.; Mason K.; Mastbaum A.; Matichard F.; Matsuno S.; Matthews J.; Mauger C.; Mauri N.; Mavrokoridis K.; Mawby I.; Mazza R.; Mazzacane A.; Mcaskill T.; Mccluskey E.; Mcconkey N.; Mcfarland K.S.; Mcgrew C.; Mcnab A.; Mefodiev A.; Mehta P.; Melas P.; Mena O.; Mendez H.; Mendez P.; Méndez D.P.; Menegolli A.; Meng G.; Messier M.D.; Metcalf W.; Mewes M.; Meyer H.; Miao T.; Michna G.; Mikola V.; Milincic R.; Miller G.; Miller W.; Mills J.; Mineev O.; Minotti A.; Miranda O.G.; Miryala S.; Miscetti S.; Mishra C.S.; Mishra S.R.; Mislivec A.; Mitchell M.; Mladenov D.; Mocioiu I.; Moffat K.; Mogan A.; Moggi N.; Mohanta R.; Mohayai T.A.; Mokhov N.; Molina J.; Molina Bueno L.; Montagna E.; Montanari A.; Montanari C.; Montanari D.; Montanino D.; Montaño Zetina L.M.; Moon S.H.; Mooney M.; Moor A.F.; Moreno D.; Morescalchi L.; Moretti D.; Morris C.; Mossey C.; Mote M.; Motuk E.; Moura C.A.; Mousseau J.; Mouster G.; Mu W.; Mualem L.; Mueller J.; Muether M.; Muheim F.; Muir A.; Mulhearn M.; Munford D.; Munteanu L.J.; Muramatsu H.; Muraz J.; Murphy M.; Murphy S.; Musser J.; Nachtman J.; Nagai Y.; Nagu S.; Nalbandyan M.; Nandakumar R.; Naples D.; Narita S.; Nath A.; Navrer-Agasson A.; Nayak N.; Nebot-Guinot M.; Negishi K.; Nelson J.K.; Nelson M.; Nesbit J.; Nessi M.; Newbold D.; Newcomer M.; Newton H.; Nichol R.; Nicolas-Arnaldos F.; Nikolica A.; Nikolov J.; Niner E.; Nishimura K.; Norman A.; Norrick A.; Novella P.; Nowak J.A.; Oberling M.; Ochoa-Ricoux J.P.; Olivier A.; Olshevskiy A.; Onel Y.; Onishchuk Y.; Ott J.; Pagani L.; Palacio G.; Palamara O.; Palestini S.; Paley J.M.; Pallavicini M.; Palomares C.; Pan S.; Panduro Vazquez W.; Pantic E.; Paolone V.; Papadimitriou V.; Papaleo R.; Papanestis A.; Paramesvaran S.; Parke S.; Parozzi E.; Parsa S.; Parsa Z.; Parveen S.; Parvu M.; Pasciuto D.; Pascoli S.; Pasqualini L.; Pasternak J.; Pater J.; Patrick C.; Patrizii L.; Patterson R.B.; Patton S.J.; Patzak T.; Paudel A.; Paulucci L.; Pavlovic Z.; Pawloski G.; Payne D.; Pec V.; Peeters S.J.M.; Pena Perez A.; Pennacchio E.; Penzo A.; Peres O.L.G.; Perez Gonzalez Y.F.; Pérez-Molina L.; Pernas C.; Perry J.; Pershey D.; Pessina G.; Petrillo G.; Petta C.; Petti R.; Pia V.; Piastra F.; Pickering L.; Pietropaolo F.; Pimentel V.L.; Pinaroli G.; Plows K.; Plunkett R.; Pollman T.; Pompa F.; Pons X.; Poonthottathil N.; Poppi F.; Pordes S.; Porter J.; Potekhin M.; Potenza R.; Potukuchi B.V.K.S.; Pozimski J.; Pozzato M.; Prakash S.; Prakash T.; Pratt C.; Prest M.; Psihas F.; Pugnere D.; Qian X.; Raaf J.L.; Radeka V.; Rademacker J.; Radev R.; Radics B.; Rafique A.; Raguzin E.; Rai M.; Rajaoalisoa M.; Rakhno I.; Rakotonandrasana A.; Rakotondravohitra L.; Rameika R.; Ramirez Delgado M.A.; Ramson B.; Rappoldi A.; Raselli G.; Ratoff P.; Raut S.; Razafinime H.; Razakamiandra R.F.; Rea E.M.; Real J.S.; Rebel B.; Rechenmacher R.; Reggiani-Guzzo M.; Reichenbacher J.; Reitzner S.D.; Rejeb Sfar H.; Renshaw A.; Rescia S.; Resnati F.; Ribas M.; Riboldi S.; Riccio C.; Riccobene G.; Rice L.C.J.; Ricol J.S.; 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Zimmerman E.D.; Zucchelli S.; Zuklin J.; Zutshi V.; Zwaska R. · Journal of Instrumentation (2023) · DOI: 10.1088/1748-0221/18/04/p04034

Resumen

The rapid development of general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU) is allowing the implementation of highly-parallelized Monte Carlo simulation chains for particle physics experiments. This technique is particularly suitable for the simulation of a pixelated charge readout for time projection chambers, given the large number of channels that this technology employs. Here we present the first implementation of a full microphysical simulator of a liquid argon time projection chamber (LArTPC) equipped with light readout and pixelated charge readout, developed for the DUNE Near Detector. The software is implemented with an end-to-end set of GPU-optimized algorithms. The algorithms have been written in Python and translated into CUDA kernels using Numba, a just-in-time compiler for a subset of Python and NumPy instructions. The GPU implementation achieves a speed up of four orders of magnitude compared with the equivalent CPU version. The simulation of the current induced on 103 pixels takes around 1 ms on the GPU, compared with approximately 10 s on the CPU. The results of the simulation are compared against data from a pixel-readout LArTPC prototype.

Instituciones: Pontificia Universidad Católica del Perú; Universidad Nacional de Ingeniería