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Geant4是由歐洲核子研究中心（CERN）主導開發並維護的開源軟件框架，全稱為"GEometry ANd Tracking"（幾何與跟蹤）。該框架以C++為編程語言，基於蒙特卡洛方法，用於模擬基本粒子在物質中的輸運過程及與之伴隨的各類粒子相互作用，是高能物理、核物理以及空間輻射效應模擬領域應用最廣泛的工具之一。

核心功能

Geant4提供了極其完備的物理過程數據庫，覆蓋從可見光光子到TeV能區的寬廣能區範圍。其支持的物理過程包括：電磁相互作用（如電離能量損失、韌致輻射、康普頓散射、光電效應等）、強子相互作用（基於二進制級聯模型、預平衡模型和裂變/俘獲模型）、以及衰變過程（α衰變、β衰變、電子俘獲等）。

在幾何建模方面，Geant4採用構造實體幾何（CSG）和邊界表示（BRep）相結合的建模方式，使用者可以通過布爾運算靈活構建從單個硅探測器模塊到整個粒子對撞機探測器的任意複雜幾何結構。對於每一種材料，用戶需要定義其元素組成、密度和輻射長度等物理屬性，Geant4據此計算相互作用長度和平均自由程。

模擬流程架構

一個完整的Geant4模擬程序通常包括初始化、事件循環和數據輸出三個階段。在初始化階段，程序讀取用戶定義的物理列表（Physics List）、探測器構造（Detector Construction）和初始粒子生成（Primary Generator）等模塊，並完成截面積分表的預計算。

進入事件循環後，對於每個事件（Event），Geant4從初始粒子出發，通過步長積分的方式追蹤粒子在介質中的運動軌跡。當粒子到達相互作用點時，依據對應的微分截面隨機抽樣決定下一個物理過程及其運動學參數，產生次級粒子並繼續追蹤，直到所有粒子被吸收、逃逸出幾何體或能量低於閾值。

模擬產出的原始數據通常以ROOT數據分析框架的TTree格式存儲，包含每個擊中（Hit）的位置、沉積能量、到達時間等信息，供後續重建算法和物理分析使用。

應用領域

除了大型強子對撞機（LHC）上各實驗的探測器設計和物理分析外，Geant4還被廣泛應用於空間科學領域。例如，歐洲空間局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）在空間載荷的輻射效應評估中均使用Geant4模擬銀河宇宙射線和太陽粒子事件在航天器電子器件中引發的單粒子翻轉（SEU）和總電離劑量（TID）效應。

在醫用物理領域，Geant4被用於放射治療中的劑量計算、正電子發射斷層掃描（PET）和計算機斷層掃描（CT）的成像系統建模，以及質子治療和重離子治療的束流傳輸模擬。

版本演進與社區

Geant4自1994年啟動開發以來，目前已發布至11.x系列，持續引入多線程並行支持、GPU加速接口以及更精確的量子電動力學（QED）和量子色動力學（QCD）模型。其開發和維護由Geant4合作組協調，成員來自全球數十個研究實驗室和高等院校，源代碼以GNU通用公共許可證（GPL）發布。