Математическое моделирование переходного излучения в физике высоких энергий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, доктор физико-математических наук Савельев, Валерий Иванович

• Савельев, Валерий Иванович
• доктор физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Савельев, Валерий Иванович

Введение

1 Математическое моделирование и вычислительный эксперимент в физике высоких энергий

1.1 Общая структура вычислительного и натурного эксперимента в физике высоких энергий.

1.2 Метод Мойте Карло в экспериментальной физике высоких энергий

1.3 Вычислительные средства для проведения моделирования и анализа данных в экспериментах физики высоких энергий.

1.3.1 Структура вычислительных средств экспериментов физики высоких энергий.

1.3.2 Система вычислительных средств эксперимента HERA-B

1.3.3 Специализированный вычислительный кластер первого уровня.

1.3.4 Система вычислительных кластеров анализа второго, третьего уровня.

1.3.5 Структура и оборудование вычислительного кластера 4 уровня.

1.4 Структура программного обеспечения моделирования и анализа эксперимента HERA-B.

1.4.1 Принципы и система программного обеспечения.

1.4.2 Математическая модель спектрометра HERA-B.

1.4.3 Система анализа и визуализации данных в эксперименте HERA-B.

2 Математическое моделирование переходного излучения в физике высоких энергий

2.1 Моделирование и анализ переходного излучения (практическая теория).

2.1.1 Математическое моделирование переходного излучения в физике высоких энергий.

2.1.2 Анализ Монте-Карло методов и программ моделирования переходного излучения в физике высоких энергий

2.2 Программный пакет моделирования и анализа переходного излучения для физики высоких энергий.

2.2.1 Структура программного пакета моделирования и анализа переходного излучения.

2.2.2 Моделирование геометрии экспериментальных установок

2.2.3 Моделирование физических процессов: возникновения и распостранения переходного излучения, ионизационные процессы.

2.2.4 Использование баз данных генерации переходного излучения, фотопоглощения фотонов и ионозационных потерь энергии.

2.2.5 Метод Монте Карло моделирования переходного излучения

2.2.6 Основные процессы, включенные в пакет математического моделирования.

2.3 Экспериментальная проверка моделей переходного излучения

2.3.1 Экспериментальные исследования переходного излучения эксперимента HERA-B.

2.3.2 Экспериментальные исследования AMS эксперимента

3 Математические методы в теории переходного излучения

3.1 Уравнения Максвелла для заряженной элементарной частицы

3.2 Решение уравнений электромагнитного поля заряженной элементарной частицы в потенциалах.

3.2.1 Электромагнитные скалярный и векторный потенциалы элементарной заряженной частицы.

3.2.2 Потенциалы электромагнитного поля заряженной частицы в близких областях.

3.3 Релятивистские соотношения для электромагнитного ноля заряженной частицы.

3.3.1 Основные положения.

3.3.2 Преобразование Лоренца.

3.3.3 Основные соотношения релятивистской электродинамики для заряженной частицы.

3.3.4 Излучение заряженной частицы в произвольном движении

3.3.5 Прямолинейное движение заряженной частицы с постоянной скоростью.

3.4 Электромагнитные поля в случае разрывных сред.

3.4.1 Граничные условия в уравнениях Максвелла.

3.4.2 Разрыв нормальных компонент электромагнитного поля.

3.4.3 Тангенциальные компоненты электромагнитного поля.

3.4.4 Волновое представление границы раздела сред с различными диэлектрическими свойствами.

3.4.5 Граница раздела и электромагнитное излучение в газах

3.4.6 Электромагнитное излучение на границе диэлектрической среды.

3.4.7 Электромагнитное излучение на границе проводников

3.5 Фукциовальные решения уравнений дивергентного вида, содержание разрывные операторы под знаком производных.

3.5.1 Методы решения - функциональные решения систем законов сохранения.

3.5.2 Соотношения, описываюш;ие разрывы векторов электромагнитного поля.

4 Анализ физических моделей переходного излучения

4.1 Введение.

4.2 Переходное излучение, модель Гинзбурга - Франка.

4.3 Волновая модель переходного излучения.

4.4 Модель переходного излучения с учетом преволновой зоны и областей близких к траектории движения частицы.

4.4.1 Основные положения.

4.4.2 Уравнения Максвелла для заряженной частицы в однородных средах.

4.4.3 Форма электромагнитных потенциалов движущейся заряженной частицы.

4.4.4 Потенциалы заряженной частицы при наличии границы раздела.

4.4.5 Переходное излучение заряженной частицы при пересечении границы раздела сред.

4.4.6 Потоки электромагнитной энергии движущейся заряженной частицы при наличии границы раздела сред.

4.4.7 Направленность потоков энергии переходного излучения . 216 4.5 Анализ физических приближений в теории переходного излучения

4.5.1 Поверхностные явления при прохождении заряда границы вакуум металл.

4.5.2 Переходное излучение и ускоряющийся заряд.

4.5.3 Функциональные решения и уравнения Максвелла для заряженной застицы.

5 Полномасштабные натурные и вычислительные эксперименты с использование детекторов переходного излучения

5.1 Эксперимент HERA-B.

5.1.1 Физическая программа.

5.1.2 Спектрометр эксперимента HERA-B.

5.1.3 Детектор переходного излучения эксперимента HERA-B

5.2 AMS эксперимент.

5.2.1 Физическая программа.

5.2.2 Спектрометр.

5.2.3 Детектор переходного излучения эксперимента AMS

5.3 Эксперимент TESLA на линейном коллайдере нового поколения в обласи энергий 1 TeV.

5.3.1 TESLA эксперимент.

5.3.2 Детектор переходного излучения спектрометра TESLA

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование переходного излучения в физике высоких энергий»

в настоящее время закладываются основы новой методологии научных исследований, развиваемой школой A.A.Самарского - математического моделирования и вычислительного эксперимента. Методология математического моделирования и вычислительного эксперимента бурно развивается, охватывая все новые сферы - от создания крупномасштабных научных экспериментов, разработки больших технических систем и управления ими, до анализа сложнейших экономических и социальных процессов. Сущность этой методологии состоит в замене исходного объекта его математической моделью и исследовании современными вычислительными методами и средствами математических моделей. Этот круг вопросов естественным образом содержит классическую триаду "модель - алгоритм - программа" и включается в методологию математического моделирования и вычислительного эксперимента развиваемую школой академика A.A.Самарского [1].

Широкое применение математических методов позволяет поднять общий уровень теоретических исследований, дает возможность проводить их в более тесной связи с экспериментальными исследованиями. Математическое моделирование может рассматриваться как новый метод познания, конструирования, проектирования, который сочетает в себе многие достоинства как теории так и эксперимента. Работа не с самим объектом (явлением, процессом), а с его моделью дает возможность безболезненно, относительно быстро и без существенных затрат исследовать его свойства и поведение в любых мыслимых ситуациях (преимущество теории). В то же время вычислительные (компьютерные, имитационные) эксперименты с моделями объектов позволяют, опираясь на мощь современных вычислительных методов и технических инструментов информатики, подробно и глубоко изучать объекты в достаточной полноте, недоступной чисто теоретическим подходам (преимущества эксперимента).

Процесс создания экспериментальной установки в физике высоких энергий как нельзя лучше характеризует основные особенности новой технологии научных исследований, отличаюп1,ейся многоцелевой направленностью и методологической универсальностью, позволяя на основе накопленного опыта математического моделирования быстро и эффективно решать задачи. Важнейшим результатом является возможность проведения вычислительного эксперимента уже на этапе создания оборудования и установки, обосновывая оптимальные условия проведения эксперимента, сроки проведения и ожидаемые результаты. Достаточно сказать, что принятие решения о проведении крупномасштабных международных экспериментов в физике высоких энергий с бюджетами порядка 100-500 миллионов долларов принимаются на основе математического моделирования и вычислительного эксперимента.

При проведении экспериментальных исследований роль математических методов и математического моделирования дает возможность подойти по новому к вопросу организации процесса исследований в более тесной координации экспериментальных и теоретических исследований в рамках новой методологии научных исследований, совмендения реального эксперимента - набора экспериментальных данных и их анализа с математическим моделированием и вычислительным экспериментом на базе новых структур вычислительных средств [2].

Одним из важнейших направлений в физике высоких энергий является исследование и практическое использование переходного излучения, представляющего собой фундаментальное явление, впервые предсказанное теоретически российскими учеными В.Гинзбургом и И.Франком в 1946 году в классической работе: "Излучение равномерно движущегося электрона, возникающее при его переходе из одной среды в другую-[3].

Возникновение электромагнитного излучения при пересечении заряженной частицей области со скачкообразным изменением диэлектрических свойств получило название "переходное излучение"и авторы предложили метод интегрирования интенсивности и углового распределения для случая, когда заряд пересекает границу раздела из вакуума в идеальный проводник, а также обсуждение случая с диэлектрическими средами.

Дальнейшее развитие теория переходного излучения получила в работах Г.Гарибяна, развившего волновой подход к проблеме переходного излучения [4] и в асимптотическом приближении решившего проблему граничных условий на основе падающей и отраженной волн для областей удаленных от траектории частицы. Метод основывался на представлении полей в виде интегралов Фурье.

Одним из важнейших результатов Г.Гарибяна является доказательство о распространении спектра переходного излучения в область рентгеновских частот, что определило в дальнейшем широкое практическое применение переходного излучения в физике высоких энергий.

Физическая теория переходного излучения берущая, начало с классической работы В.Гинзбурга и М.Франка, в настоящее время достаточно известна и ей посвящена обширная библиография [5 .

Однако, точное решение уравнений Максвелла в теории переходного излучения представляется достаточно сложной проблемой, в особенности, в областях, близких к траектории движения заряженной частицы [6]. Строгое математическое исследование этого явления, в рамках теории Максвелла представляющего собой систему законов сохранения с разрывными характеристиками среды под знаком производных, стало возможным лишь в последнее десятилетие на основе теории функциональных решений законов сохранения, развиваемой В.А.Галкиным [7].

В начале бО-х годов значительный интерес физиков-экспериментаторов к переходному излучению был вызван возможностью его использования для идентификации релятивистских заряженных частиц, в частности, для идентификации лептонов в экспериментах по физике высоких энергий. Это послужило отправной точкой для исследования интерференционных эффектов переходного излучения при пересечении заряженной частицей фольги из диэлектрического материала, а также многослойных периодических структур (радиатор переходного излучения) из диэлектрического материала [8].

В экспериментальные исследования переходного излучения и создание детекторов переходного излучения внесли значительный вклад российские ученые, в особенности, группа Б.А. Долгошеина, являющегося лидером в создании детекторов переходного излучения в мировой практике [9 .

Содержательная теория переходного излучения и решение задачи его корректного математического моделирования крайне важны в физике высоких энергий, в частности, при проведении масштабных и дорогостоящих экспериментов: HERA-B на ускорительном накопительном комплексе HERA в DESY (Гамбург, Германия), [10], первом полномасштабном эксперименте по физике высоких энергий в космическом пространстве по поиску антиматерии AMS [11] и проектируемом линейном коллайдере сверхвысоких энергий TESLA (Германия) [12], выполняющихся в рамках международного сотрудничества России.

Представленные в настоящей диссертационной работе исследования по математическому моделированию крупномасштабных экспериментов физики высоких энергий и, в особенности, математическое моделирование и анализ переходного излучения в физике высоких энергий выполнены автором, который в течении последнего десятилетия является координатором детектора переходного излучения и координатором направления математического моделирования эксперимента HERA-B в международной программе сотрудничества России с национальным немецким центром высоких энергий (DESY), а также в настоящее время работает над проектом линейного суперколлайдера TESLA на энергию до 1 TeV и многофункциональным детектором TESLA для физических исследований.

Актуальность темы: Крупномасштабные физические эксперименты с использованием детекторов на основе переходного излучения требуют проведения предварительного детального компьютерного моделирования в условиях чрезвычайно сложной геометрии всего эксперимента, включающего сотни компонент. Естественно, это приводит к новым принципам математического моделирования конкретных физических экспериментов, учета всех факторов, включая и системную часть, а именно:

• выбор математической модели и приближенных методов, учитывающих многообразные процессы в структуре и материале экспериментальной установки;

• выбор вычислительных средств для проведения компьютерного моделирования, принципа оптимизации распределения процессоров в условиях чрезвычайно больших и интенсивных вычислений;

• визуализация промежуточных (в реальном времени) и окончательных результатов в оптимальной форме;

• анализ экспериментальных данных, полученных в ходе тестовых измерений и набора физической информации, организация хранения и возможность дополнительной или повторной обработки.

Как было отмечено этот круг вопросов естественным образом содержит классическую триаду "модель-алгоритм-нрограмма" и включается в методологию математического моделирования и вычислительного эксперимента, развиваемую школой академика A.A.Самарского в ИММ РАН и МГУ [1 .

Значительный вклад в решение современных проблем компьютерной обработки на основе многопроцессорных кластеров, параллельного программирования и визуализации чрезвычайно больших потоков данных, типичных для экспериментальной физики высоких энергий и кинетических систем взаимодействующих частиц сделан коллективом ИММ РАН под руководством чл-корр. РАН Б.Н.Четверушкина [2].

Теория переходного излучения, развитая в фундаментальной работе российских ученых В.И.Гинзбурга и И.М.Франка [3], заложила основу теоретических и экспериментальных исследований в физике высоких энергий, связанных с возможностью идентификации ультрарелятивистских заряженных частиц и созданием детекторов переходного излучения.

Следует подчеркнуть, что математическое описание этого явления связано с решением уравнений Максвелла с разрывными коэффициентами, характеризующими диэлектрические и магнитные свойства среды. Теория функциональных решений и обоснование сходимости приближенных методов в тихоновской топологии для такого класса задач создана в течение последнего десятилетия проф. В.А.Галкиным [7].

Тема данной диссертационной работы посвящена математическому моделированию переходного излучения и его применению в полномасштабных натурных экспериментах с использованием детекторов переходного излучения, в частности, указанное математическое моделирование является неотъемлемой частью физических экспериментов HERA-B—исследование CP—нарушения в системе В—мезонов на ускорительном кольце HERA, DESY (Гамбург, Германия), AMS— поиск антиматерии в свободном космическом пространстве, планируемого на международной космической станции МКС( CERN—международный центр по ядерным исследованиям, Женева, NASA— национальное агентство США по астронавтике), TESLA—многоцелевой эксперимент физики высоких энергий, планируемый на коллайдере нового поколения TESLA (сверхпроводящий электрон-позитрон линейный коллайдер с интегрированным рентгеновским лазером на свободных электронах, DESY, Гамбург, Германия).

Целью диссертационной работы является:

• Создание методов математического моделирования и обработки информации в крупномасштабных экспериментах в физике высоких энергий.

• Выбор адекватной математической модели формирования и переноса переходного излучения в различных средах.

• Математическое исследование моделей процессов, описывающих переходное излучение при пересечении элементарным зарядом, движущимся с ультрарелятивистской скоростью, пространственной границы в среде со скачком диэлектрической проницаемости.

• Математическое моделирование процесса образования и переноса переходного излучения для элементарных частиц в ультрарелятивистском приближении в структуре конкретных экспериментов в условиях сложной геометрии и учетом дополнительных процессов. Создание математического обеспечения, описывающего процессы переходного излучения с целью использования для идентификации элементарных частиц в физике высоких энергий, а также компьютерная визуализация множественных быстро протекающих явлений.

• Тестирование математических моделей переходного излучения на основе экспериментов и компьютерная оптимизация детекторов переходного излучения для экспериментальных исследований в физике высоких энергий.

Научная новизна

В диссертационной работе развиты и обоснованы методы исследования математических моделей переходного излучения. Проведен их анализ и выполнена реализация для обеспечения крупномасштабных экспериментов в физике высоких энергий.

Полученные в диссертации результаты, главным образом, сконцентрированы на создании программного обеспечения для моделирования переходного излучения, развитии математических методов решения уравнений Максвелла с разрывными параметрами среды (диэлектрическими и магнитными характеристиками) , создании алгоритмов и математического обеспечения для проведения вычислительных экспериментов методом Монте-Карло в физике высоких энергий.

Переходное излучение, впервые теоретически предсказанное российскими учеными и возникающее при пересечении заряженной частицей пространственной границы со скачкообразно меняющимися диэлектрическими и магнитными характеристиками, положенное в основу компьютерного моделирования представленной диссертации, используется для планирования экспериментов физики высоких энергий.

В том числе:

1. Разработаны вычислительные алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для моделирования переходного излучения релятивистских заряженных частиц в сложной пространственно распределенной структуре со скачкообразно изменяющимися диэлектрическими свойствами среды, выполнено компьютерное моделирование переходного излучения в широком диапазоне частот переходного излучения и энергий заряженных частиц, а также сравнение с экспериментальными данными.

2. Создано математическое описание переходного излучения на основе решения уравнений Максвелла на поверхности скачка диэлектрических параметров сред, а также в областях, близких к траектории движения заряженных частиц, проведен численный анализ полученных математических моделей.

3. Проведен анализ структуры и алгоритмов программного обеспечения для крупномасштабных экспериментов в физике высоких энергий в рамках "триады" А.А.Самарского "модель-алгоритм-программа". Созданные алгоритмы и программное обеспечение, в том числе по переходному излучению, включены в системы математического анализа и обработки крупномасштабных щкспериментов в физиле высоких энергий: HERA-B (DESY— немецкий национальный ускорительный центр,ГамбурцГермания), AMS (CERN—европейский центр по ядерным исследованиям, Женева, Швейцария, NASA—национальное агентство США по астронавтике), TESLA (DESY—немецкий национальный ускорительный центр, Гамбург, Германия)

4. Выполнен модельный анализ и оптимизация детекторов переходного излучения для указанных экспериментов физики высоких энергий с экстремально высокими интенсивностями излучения и радиационными загрузками.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Выполнен анализ математических моделей переходного излучения, возникающего при движении заряженных точечных частиц в среде с разрывными электрическими и магнитными характеристиками.

2. Реализовано адекватное математическое моделирование переходного излучения в реальных ситуациях для экспериментов в области релятивистских энергий, использующееся при создании крупномасштабных физических экспериментальных установок. На основе компьютерного моделирования и сравнительного анализа для соответствующих физических экспериментов получены зависимости выхода переходного излучения для различных структур детекторов переходного излучения

3. Выполнено компьютерное моделирование детекторов переходного излучения в составе полной математической модели крупномасштабных экспериментов физики высоких энергий HERA-B (DESY), AMS (CERN,NASA), TESLA (DESY). На основе компьютерного анализа подтвеждена целесообразность использования детекторов переходного излучения в экспериментах в области физики высоких энергий.

4. Математическое моделирование и оптимизация детекторов переходного излучения, представленное в диссертационной работе, получило поддержку по следующим проектам:

• РФФИ 02-01-01014, "Разработка и обоснование приблийенных методов для решения системы уравнений Максвелла-Лиувилля-Власова для среды с разрывными параметрами".

• "Детектор переходного излучения эксперимента HERA-B", национальный немецкий ускорительный центр DESY (Гамбург, Германия),

• "Создание системы идентификации лептонов для экспериментальных исследований нарушения CP симметрии на коллайдере HERA"—INTAS-94-3819, руководитель группы Савельев В.И. (INTAS—Международная Ассоциация по сотрудничеству с учеными из СНГ А),

• TESLA INTAS-00-00697 "Физика е+е~, 77, 67 взаимодействий для высокоинтенсивного линейного коллайдера TESLA и сопутствующие вопросы", руководитель группы - Савельев В.И.

Ahttp://www.intas.be

5. На основе компьютерного моделирования и сравнительного анализа с соответствующими физическими экспериментами получены зависимости выхода переходного излучения для различных структур детекторов переходного излучения.

6. Выполнено компьютерное моделирование детекторов переходного излучения в составе полной математической модели крупномасштабных экспериментов физики высоких энергий: HERA-B (DESY), AMS (CERN, NASA), TESLA (DESY).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

• Создание алгоритмов и математического обеспечения для моделирования и анализа переходного излучения на основе асимптотических моделей для проведения вычислительных и натурных экспериментов в физике высоких энергий.

• Математическая модель переходного излучения, основанная на решении уравнений Максвелла для электромагнитного поля заряженной частицы, пересекающей границу раздела диэлектрических сред с различными диэлектрическими свойствами с учетом областей, близких к траектории движения заряженной частицы.

• Создание базы данных и алгоритмов для быстрых вычислений переходного излучения и соответствующих процессов в сложных периодических и распределенных структурах сред с различными диэлектрическими свойствами в широком диапазоне энергий и частот переходного излучения.

• Анализ данных экспериментальных исследований с целью проверки математической модели переходного излучения и соответствующих процессов в области релятивистских энергий, создание алгоритмов анализа для экспериментальных данных.

• Анализ детекторов переходного излучения в экспериментах HERA-B, AMS, а также детектора нового типа с использованием сильных магнитных полей для эксперимента TESLA на проектируемом линейном коллайдере с энергией до 1 TeV.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации представлялись и докладывались на международных научных конференциях с числом участников более 300.

Моделирование методом Монте-Карло переходного излучения и идентификация частиц высоких энергий,— СНЕР95 - Computing in High Energy Physics, 1995 г, Рио-де-Жанейро, Бразилия;

Моделирование методом Монте-Карло переходного излучения в физике высоких энергий,— СНЕР97 - Computing in High Energy Physics, 1997 г, Берлин, Германия;

Моделирование детектора переходного излучения и реконструкция для эксперимента HERA-B,- СНЕР98 - Computing in High Energy Physics, 1998 г, Чикаго, США;

HERA-B детектор переходного излучения.— BEAUTY97 - B-Physics at Hadron Machines, 1997, Лос-Анжелес, США;

Идентификация частиц на основе переходного излучения и детекторы.— INSTR-99 - The 7th International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics, 1999, Hamamatsu, Japan;

Si-пиксел детектор переходного излучения для TESLA спектрометра.— International Workshop on High Energy Photopn Colliders, 2000, Гамбург, Германия;

Электромагнитное поле движущегося точечного заряда в релятивистском приближении,— Международная конференция "Математическая физика, математическое моделирование и приближенные методы", посвященная памяти академика А.Н.Тихонова,2000, Обнинск, Россия;

Transition Radiation Detector with separation of charde particle and TR photons by magnetic field,— International Workshop on High Energy Photopn Colliders, 1999, Гамбург, Германия;

Проведены университетские семинары по темам:

Particle Identification via Transition Radiation, Проф. P.Braun-Munzinger, SGI, Dortmund, 2000;

Transition Radiation: Particle Identification and Beam Diagnostic, Проф. S.Schael, RWTH, Aachen, 2001.

Математическое моделирование переходного изучения в физике высоких энергий Проф. В.А.Галкин, ИАТЭ, Обнинск, 2001

Представлено более 20 пленарных докладов на коллаборационных конференциях HERA-B, а также доклады на научных сессиях и семинарах ИТЭФ, МИФИ, ОИЯИ.

Публикации.

По теме диссертации опубликована 31 работа в отечественных и международных научных изданиях. Основные результаты диссертации изложены в работах из списка литературы, приведенного в конце диссертации. Полный список печатных работ с участием автора содержит более 70 наименований, включая 1 монографию и 5 авторских свидетельств на изобретение.

Содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, связанных общей проблематикой решаемых задач.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Савельев, Валерий Иванович

Заключение в работе представлены разультаты исследований в области математического моделирования в физике высоких энергий, в частности, матеметическое моделирование электромагнитного явления изестного как переходное излучение, возникающего при пересечении заряженной частицей границы раздела сред с различными диэлектрическими свойствами. Данная задача включает также возможность анализа многих примыкающих областей и условий возникновения переходного излучения в различных условиях с изменяющимися диелектрическими свойствами сред в пространстве и во времени.

В работе получили развитие и обоснование методы исследования, объединяющие различные подходы к решению проблем переходного излучения как с теоретической точки зрения - собственно физического явления, так и практического использования в экспериментах физики высоких энергий и различных областях.

Проведен анализ систем математического моделирования и систем обеспечения для крупномасштабных экспериментов физики высоких энергий в рамках модели модель-алгоритм-программа А.А.Самарского.

Предложены и реализованы оптимальные структуры данных математического моделирования а также алгоритмы анализа моделируемых данных использующие идентичные программные и аппаратные средства, используемые при наборе и анализе экспериментальных данных. Данный подход важен для экспериментов, осуществляющих существенную часть анализа данных в режиме реального времени.

Основываясь на идее В.Гинзбурга и И.Франка и положении что переходное излучение должно соответствовать уравнениям Максвелла, создана математическая модель переходного излучения на основе максимально возможного приближения к точному решение уравнений Максвелла включающее близкие области к траектории движения частиц, что дает новые возможности создания алгоритмов анализа переходного излучения в том числе для диагностики пучков частц высоких энергий с использованием оптической части спектра переходного излучения. Получено описание и решение граничных условий для сред с разрывными диэлектрическими свойствами в приложении к электромагнитнопму полю релятивистких заряженных частиц позволяюш,ее оценить эффект возникновения поверхностных электромагнитных волн при пересечении заряженной частицей границы раздела сред.

Создан Монте Карло метод полностью описывающий процессы характерные для переходного излучения релятивистских заряженных частиц и его переноса в широком диапазоине частот и энергий. Создано адекватное математическое моделирование на основе метода Монте Карло для переходного излучения нашедшее широкое использование в физике высоких энергий при создании крупномасштабных физических экспериментальных установок. На основе разработанного метода создан программный пакет моделирования переходного излучения в реальной геометрии и усложиях экспериметальных исследований.

Созданные алгоритмы и программное обеспечение включены в систему компьютерной поддержки следующих экспериментов в физике высоких энергий:

HERA-B - эксперимент по исследованию CP- нарушения в системе В-мезонов на протонном накопительном кольце HERA, (DESY—немецкий национальный ускорительный центр,Гамбург,Германия),

AMS - эксперимент по поиску антиматерии в свободном пространстве на международной космической станции МКС, (CERN—европейский центр по ядерным исследованиям, Женева, Швейцария, NASA—США.),

TESLA - эксперимент на сверхпроводящем электрон-поситрон коллайдере с интегрированным рентгеновским лазером (DESY—немецкий национальный ускорительный центр, Гамбург, Германия)

Создание подхода и математических методов решения уравнений Максвелла с разрывными параметрами среды (диэлектрическими и магнитными характеристиками) на основе функциональных решений, созданы алгоритмы и математическое обеспечения для проведения вычислительных экспериментов методом Монте-Карло по переходному излучению в физике высоких энергий.

Тестирование математических моделей переходного излучения в различных приближениях на основе экспериментальных данных в широкой области энергий

282 частиц и спектра переходного излучения. Полученные данные широко используется в других исследованиях, для моделирования экспериментальных установок в физике высоких энергий, упропдая анализ данних и сокрап];ая затраты на экс-териментальные тесты.

Проведение анализа и оптимизации детекторов переходного излучения в международных крупномасштабных экспериментах физики высоких энергий с участием российских университетов: HERA-B (DESY), AMS (CERN, КА8А),проекте TESLA (DESY).

Полученные в диссертации результаты являются вкладом в создание математических моделей переходного излучения, в развитие математических методов решения уравнений Максвелла с разрывными средами, создания математического обеспечения для проведения вычислительных экспериментов методом Монте Карло в физике высоких энергий.

Мне приятно выразить искреннюю благодарность руководству Обнинского института атомной энергетики, ректору, проф. Сальникову,Н.Л, проректору по научной работе, проф. Волкову, руководству факультета и кафедры за поддержку моей научной активности.

Мне приятно выразить благодарность коллегам и соавторам научных работ за совместную деятельность по претворению в жизнь идей, создание экспериментальных установок и проведение экспериментальных исследований. В их числе И.Багдасарова, М.Г.Горнов, М.Забудько, В. А.Канцеров, П.В.Морохов, В.П.Печкуров, С.В.Фурлетов, Ю.Шаманина, моим аспирантам и студентам, вносящим свежий взгляд на проблемы и новые идеи.

Я благодарен проф. В.Н.Беляеву за его поддержку моей научной активности.

Хочется выразить искреннюю признательность коллегам по коллаборации HERA-B и прежде всего сотрудникам ИТЭФ чл-корр. РАН М.В.Данилову, проф. А.Голутвину, проф. Ю.Зайцеву и многим другим вместе с кем создавался эксперимент.

Выражаю глубокую благодарность коллегам из Немецкого национального центра, прежде всего проф. А.Вагнеру, (DESY) за предоставленную возможность постановки эксперимента, поддержку научной деятельности.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Савельев, Валерий Иванович, 2002 год

1. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. М.: 2000.

2. Четверушкин Б.Н. Кинетически согласованные схемы в газовой динамике. М.: изд. МГУ, 1999.

3. Ginzburg v., Tsitovich V. Transition Radiation and Transition Scatering. Adam Hilger, Bristol, New York, 1990.

4. Тихонов A.H., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: изд. МГУ, 1999.

5. Галкин В.А. Теория функциональных решений законов сохранения// Труды семинара им. И.Г.Петровского, М.: изд. МГУ, т. 20, 2000.

6. Garibian G. Radiation from а Carged particle Traversing a Layered Medium// Sov. Phys. JETP, 35(8), num.6, 1959.9j Dolgoshein B. Transition Radiation Detectors and Particle Identification// Nucl.Instr. and Meth., A252, 1986.

7. HERA-B collaboration (Saveliev V.) HERA-B An Experiment to Study CP Violation in the В System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring. Proposal, DESY-PRC 94/02, DESY, 1994.

8. И. AMS collaboration. Alpha Magnetic Spectrometr for Extraterrestrial Study of Antimatter, Matter and Missing Matter on the International Space Station// http://greybook.cern.ch

9. Самарский A.A., Четверушкин E.H. Использование и перспективыприме-нения многопроцессорных транспьютерных систем для решения задач науки и техники //Сб.трудов институтов ОИВТА РАН, 1994.

10. Галкин A.B. Функциональные решения законов сохранения// ДАН СССР, т. 310, п. 4, 1990.

11. INTAS 94-3819, W.Schmidt-Parzefall (Hamburg Uni), M.Bataglia (Helsinki Uni),V.Saveliev (MEPhI), Yu Zaitsev (ITEP)

12. Design of Lepton Identification for Experimental study of CP violation at the HERA collider INTAS, Brüssel, 1994

13. G.Blair(Royal Holloway, Uni London), E.Boos (MSU), M.Danilov (ITEP), R.D.Houer (Hamburg Uni), L.Joensson (Lund Uni), I.Ginzburg (NSU), D.Miller (Uviversity College, London), V.Saveliev (MEPhI), V.Telnov (NPI), J.Timmerman (NIKHEF)

14. TAS 00-00679 Physics study of e+e" and 7 7, 67 options for the TESLA high luminosity Linear Collider and related topics INTAS, Brüssel, 2001

15. HERA-B collaboration (Saveliev V.) HERA-B An Experiment to Study CP Violation in the В System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring. Technical Design Report, DESY-PRC 95/01, DESY, 1995.

16. Горнов М.Г., Ильин А.Л., Печкуров В.А.,Савельев В.И., Сергеев Ф.М. Устройство для измерения заряженных частиц. АС 1452345, 1988.

17. CERN Courier Pulling the trigger on LHC electronics //CERN Courier, v.41, n 1, 2001.

18. Марчук Г.И. Метод Монте-Карло в проблеме переноса излучений. М.: Атомиздат, 1967.

19. Ермаков СМ. Метод Монте Карло и смежные вопросы. М.: Наука, 1975.

20. CERN CERN Programm Library. CERN, CN Division.

21. Brun R., Bruyant F., McPherson A.C., Zanarini P. GEANT Detector Description and Simulation Tool// DD/EE/84-1, CERN, 1987.

22. Saveliev V. Monte Carlo Simulations of Transition Radiation for High Energy Physics// Proceedings of the International Conference on Computing in High Energy Physics, Berlin, 1997

23. Cerbal J.R. Collaborative visualization for parallel multidisciplinary applications. Elsevier Amsterdam, 1998.

24. Defert Ph., Cancio G., Cons L. at all. ASIS, mamage and distribute application software in the HEP community / / Proceedings of the International Conference on Computing in High Energy Physics, Berlin, 1997.

25. Beck M., Ehret K., Erhan S., Hausmann I., Hast C, Lohse Т., Luedeman M., Ressing D., Saveliev V., Zweizig J., Joint DAQ/SLT/Farm Parallel Session at the HERA-B //DESY, HERA-B 96-168, 1996

26. ADSP-21060X User's Manual. Analog Devices, 1995

27. The HERA-B Software group (Savehev V.) ARTE The Event Reconstruction and Analysis Tool for HERA-B// ARTE manual, DESY, 1996

28. Савельев В.И, Математическое моделирование и вычислительный эксперимент в ядерно-физических исследованиях //Известия вузов, Ядерная энepгeтикa,2002,Nl.

29. Пафомов В.Е. Излучение от электрона пересекающего пластину// ЖЕТФ, 33, 1957.

30. Гарибян P.M., Чаликян Г.А. Излучение от заряженной частицы пересекающей пластину// ЖЕТФ, 35, 1958.

31. Artru X., Yodh G.B., Mennessier G. Practical theory of the multilayered transition radiation detector// Phys. Rev. vl2, n5, 1975.

32. Saveliev V. Monte Carlo Simulations of Transition Radiation and Electron Identification// Proceedings of the International Conference on Computing in High Energy Physics, Rio de Janeiro, Brazil, 1995.

33. Appuhn R.D., Lange E., Oedingen R., Paul E. Monte Carlo Simulation of Transition Radiation and 5 electrons// BONN-HE-88-02, 1988

34. Гарибян P.M., Геворкян Л. A., Янг С. Рентгеновское переходное излучение, образуемое в нерегулярной среде// ЖЕТФ, т 66, вып. 2, 1974

35. Ducros Y., Feinstein F., Hubbard J.R., at al. Monte Carlo simulation of the Performance of the DO Transition Radiation Detector// Nucl. Instr. and Meth., A277, 1989.

36. Andronic A. Transition Radiation Detactor study//GSI note, 2000

37. Cherry M.L., Hartman С, Muller С, Prince Т.А.

38. Transition Radiation from Relativistic electrons in periodic radiators// Phys. Rev., V. 10, n. 11, 1974.

39. L.Durand Transition Radiation from Ultrarelativistic particles // Phys. Ref., v.ll, N1,1975

40. Maziotta M.N. A Monte Carlo Code fopr Full Simulation of a Transition Radiation Detector// Comput. Phys. Comm., 2000

41. Apostolakis J., Giani S., Maire S., Bagulya A.V., Grichine V.M. Parametrization Models for X-ray transition Radiation in the GEANT4 package// Comput. Phys. Comm., 132, 2000

42. Besfamilnov S., Dolgoshein В., Saveliev V., Romaniouk A. Transition Radiation Detectors for HERA-B experiment//HERA-B 93-001, DESY, 1993.

43. И.Гавриленко, Рабочие обсуждения

44. Савельев В.И., Сандуковский В.В. Полупроводниковые трековые детекторы. Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1991.

45. Saveliev V. HERA-B Transition Radiation Detector Simulation and Reconstruction// Proceedings of the International Conference on Computing in High Energy Physics, Chicago, 1998

46. Egorytchev V., Saveliev V. Monte Carlo Simulations of Transition Radiation and Electron Identification for HERA-B// Preprint ITEP, 11, 1999.

47. Гарибян P.M. Эффекты переходного излучения в энергетических потерях частицы// ЖЕТФ, т 37, 1959

48. Cherry M.L. Measurements of the spectrum and energyt dependence of x-ray transition radiation// Phys. Rev., v. 17, n. 9, 1978.

49. Aplin S.J., Egorytchev V., Saveliev V. Particle Identification via Transition Radiation and Detectors // Nucl. Instr. and Meth., A 453, 2000.

50. Аплин С. Дж., Савельев В., Моделирование переходного излучения для периодических и пространственно распределенных структур //Известия вузов. Ядерная энергетика,2002,М1.

51. Пафомов В.Е. Излучение заряженной частицы при наличии гарниц раздела// Труды ФИАН, т. 44, 1969.

52. Зрелов В.П., Ружичка Я. Некоторые особенности оптического переходного излучения от частиц высоких энергий при наклонном падении// ОИЯИ, Р1-10915, 1977.54. NIST

53. ХСОМ Photon Cros Section Database http: / / physics.nist.gov/PhysRefData/

54. Будагов Ю.А., Мерзон Г.И., Ситар В.,и др. Ионизационные измерения в физике высоких энергий. М.: Энергоатомиздат, 1988.

55. Егорычев В.Ю., Савельев В.И., Сосновцев В.В, Фурлетов СВ. Экспериментальные результаты тестирования прототипа детектора переходного излучения// Препринт МИФИ, 001, 1999.

56. ATLAS Inner Detector, Technical Design Reportcern, 1997.

57. Егорычев В.Ю., Савельев В.И., Сосновцев В.В., Фурлетов СВ. Экспериментальные исследования прототипа детектора переходного излучения для эксперимента ГЕРА-Б// Научная сессия МИФИ. Сборник научных трудов, т4, стр 132, Москва, 1999

58. Maxwell J.С. Treatise on Electricity and Magnetism. NY:, 1954.

59. Jackson J.D. Classical Electrodynamics. John Wiley к Sons, NY, 1975.

60. Marion J.B. Classical Electromagnetic Radiation. Acad. Press, NY, London, 1965.

61. Feynman R.P., Leighton R.B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley Reading, 1963.

62. Rosser W.G.V. Classical Electromagnetism via Relativity. London, 1968.

63. Thide B. Electromagnetic Field Theory. Upsilon Books, 1999.

64. Aplin S.J., Egorytchev V., Saveliev V. Electromagnetic Field of a Moving Point Charge for the Relativistic Approximation// Труды международной конференции "Математическая физика, математическое моделирование и приближенные методы", Обнинск, 2000.

65. Garbuny М. Optical Physics. Academic Press, New York, London, 1965.

66. Magid L.M. Electromagnetic fields. Energy, and Waves. John Willey ans Sons, Inc, New York, London, 1972.

67. Галкин В^., Ткаченко М.Г. Численное решение уравнений Власовского типа с разрывными коэффициентами и приложение к моделированию установления ядерной могцности// Ядерная энергетика, п. 1, 1999.

68. Галкин В.А. Методы решения задач физической кинетики. Обнинск, 1995.

69. Born М. Principles of Optics. Pergamon, New York, 1970.

70. Beck // Phys. Rev., 74, 1948.

71. Frank I.M. Transition Radiation and Optical Properties of Matter// Soviet Physics Uspekhi, v.8, n. 5, 1966.

72. Алиханян A.И., Чечин В.A. Применение эйконального приближения в теории переходного излучения// Труды ФИАН, т. 140, 1982.

73. Тер-Микаэлян М.Л. Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях. Ереван, 1969.

74. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Госте-хиздат, 1957.

75. Wartski L., Roland S., Lasalle J., Bolore M., Fillipi G. Detection of Optical Transition Radiation and its Application to Beam Diagnostic// IEEE Trans. NS-20, 1973.

76. Verzilov V.A. Transition Radiation in the Pre-wave Zone// LNF-99/018, INFN, 1999.

77. Serov A.V. and Bolotovskii V.M. Transition Radiation measurements at distances from the transition point comparable to the formation length// Zh. Tekh. Fiz., 67, 1997.

78. Савельев В.И. Математическое моделирование переходного излучения// Математическое моделирование, РАН, 10, 2001.

79. Erdelyi А. Tables of Integral Transforms. NY, 1954.

80. Saffouri M.H. Treatment of Cherenkov Radiation from Electric and Magnetic Charges in Dispersive and Dissipative Media// Nuovo Cimento, v.3, No.3,1984.

81. Saffouri M.H. On Transition Radiation// Nuovo Cimento, v.5, No.2, 1985.

82. Либенсон M.H. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона// Соросовский образовательный журнал. No. 10, 1996.

83. Allison В.В.М. Труды международного симпозиума по переходному излучению частиц высоких энергий. Ереван, 1977.

84. Болотовский Б.М. Путь формирования и его роль в излучении движуш,их-ся зарядов// Труды ФИАН, т 140, 1982.

85. HERA-B collaboration (Saveliev V.) HERA-B An Experiment to Study CP Violation in the B System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring. Technical Design Report, DESY-PRC 95/01, 1995.

86. Wolfenstein L. Parametrization of the Kobayashi-Maskawa Matrix // Phys. Rev. Lett., 51, 1983.90. L.L.Chau and W.Y.Keung

87. Comments on Parametrization of the Kobayashi-Maskawa Matrix Phys. Rev. Lett., 53, 1984

88. Kramer G. and Palmer W.F. Decay of Bg mesons into vector mesons// Phys. Rev. D46, No.7, 1992.

89. Ali A. and London D. CKM Parameter Fits, the B(s)0 -anti-B(s)0 Mixing Ratio X(s)and CP Violating Phases in B-Decays// DESY-93-022, 1993.

90. HERA-B collaboration (Saveliev V.) HERA-B Report on Status and Prospects// DESY-PRC-00/04, 2000.

91. Bigi I., Blok B., Shifman M.A., Vainshtein A., The Baffling Semileptonic Branching Ratio of B Mesons Phys. Lett. B323, 1994.

92. Isgur N., Wise M.B. Weak Decays of Heavy Mesons in the Static Quark Approximation// Phys. Lett. B323, 1994.

93. Egorytchev V., Savehev V., Schlain P. Study of B A J/psi + X and the FCNC process, B -*mu + mu-+X // HERA-B-048, DESY, 2000.

94. Ali A. and Greub C. A Determination of the CKM Matrix Element Ratio |V(TS)|/|V(CB)| from the Rare B Decays BK + j&ndB-A X{S) +7// DESY-93-065, 1993.

95. E.Fridman Beauty Barion Production and Decays, and CKM Matrix Elements// CERN-PPE/93-61, 1993.

96. CDF Collaboration (Abe F. et al.,) Search for Lambda(B)->J/Psi LambdaO in P anti P Collisions at S**(l/2)=1.8 TEV// Phys. Rev. D47, 1993.

97. Mannel T., Roberts W.E. Nonleptonic Lambda(B) Decays at Colliders Z.Phys. C59, 1993.

98. Eichten E. and Feinberg F. Spin Dependent Forces inQCD// Phys. Rev., D23, 1981.

99. Wirbel M., Stech B. and Brauer M. Exclusive Semileptonic Decays of Heavy Mesons// Z. Phys., C48, 1985.

100. Quigg C, in McBride P. and Mishra C.S.(ed.) Proceedings of the Workshop on В Physics on Hadron Accelerators// Snowmass, 1993.

101. Saveliev V. The HERA-B Transition Radiation Detector// Nucl. Instr. and Meth., A408, 1998.

102. Савельев В.И., Сосновцев В.В., Фурлетов СВ., Шаманина Ю. Экспериментальные исследования влияния высоких радиационных загрузок на работу цилиндрических нропорциональхых камер// Научная сессия МИФИ. Сборник научных трудов, т. 4, Москва, 1999

103. Егорычев В.Ю. Математическое моделирование детектора переходного излучения эксперимента HERA-B, Москва, МИФИ, 1999

104. AMS collaboration. Search for antihelium in cosmic rays// Phys. Lett., B461, 1999.

105. Chamanina J., Dolgoshein В., Egorytchev V., Fourlrtov S., Kaoukher A., Savehev V., Aplin S., Frankhn D. Si-pixel Transition Radiation Detector with separation of TR-photons and particle track by B-field// LC-DET-2000-038, DESY, 2000.

106. Korbel v . , Morgunov V., Saveliev V., Uncoming RkD, Design and construction Studies for the HCAL Tile Calorimeter calorimeter //LC-DET-2001-050, DESY, 2001

107. А.И. Амелин, СВ. Весфамильнов, Ю.А. Будагов, М.Г. Горнов, Ю.В. Гуров,

108. A. Л. Ильин, П.В. Морохов, Б.П. Осипенко, В.А. Печкуров, В.И. Савельев,

109. B. Г. Сандуковскии, А.В. Шишков, P.P. Шафигуллин

110. Исследование характеристик полупроводниковых микростриповых детекторов1. ОИЯИ Р13-91-134, 1991

111. Saveliev V. and Golovin V., Silicon avalanche photodiodes on the base of metal-resistor-semiconductor (MRS) structures //Nucl. Instr.and Meth., A442, 2000.