Применение информационных технологий в ускорительной физике

1. Белорусский государственный университет Физический факультет Кафедра теоретической физики и астрофизики Применение информационных технологий в ускорительной физике Алексей Сытов магистрант физического факультета БГУ Научный руководитель Виктор Васильевич Тихомиров Институт ядерных проблем, Белорусский государственный университет BSU INP

2. IT технологии в ускорительной физике • Мат. моделирование динамики пучков в ускорителе • Реконструкция траекторий продуктов реакций сталкивающихся частиц => поиск новых элементарных частиц • Моделирование процесса работы и радиационных повреждений ускорительных установок: отклоняющих магнитов, детекторов и др. • Организация параллельных вычислений с применением суперкомпьютеров и ГРИД • Организация ГРИД сетей различного уровня для передачи и обработки экспериментальных данных в других научных центрах

3. Отклонение пучка изогнутым кристаллом Применение изогнутых кристаллов на ускорителях: • Система коллимации ускорителей • Медленное выведение пучков из ускорителей • Генерация рентгеновского и гамма излучения • Ускорение электромагнитных ливней в детекторах, что позволит значительно уменьшить размер детекторов • Управление пучками в установках пучковой терапии

4. Алгоритм моделирования динамики пучка в изогнутом кристалле

5. Absorber Absorber Система коллимации на Большом адронномколлайдере • Гало частицы могут нанести вред оборудованию БАК из-за большой амплитуды бетатронных колебаний. Для их выведения из ускорителя необходимо использовать систему коллимации: прежняясистема коллимации(после увеличения свети-мости в ходе модернизации БАК будет малоэффективной) Новая система коллимации

6. Эксперимент UA9 по кристаллической коллимации на ускорителе SPS (ЦЕРН)* • Зависимость числа неупругих ядерных взаимодействий протонов в кристалле С1 от его ориентации: эксперимент моделирование *W.Scandale et al. Phys. Let., B692 78-82, 2010.

7. Проблема мискатугла Положительный мискат угол Отрицательный мискат угол UA9 Распределение прицельного параметра падения на кристалл для UA9 (SPS)* Вероятность ядерных реакцийв кристал-лическомколлиматорепо отношению к углуmiscutпри идеальной ориентации кристалла* Зона влияния мискат угла *V. Tikhomirov, A. Sytov, “VANT” (57), 2012, N1, p. 88-92; V. Tikhomirov, A. Sytov. arXiv:1109.5051 [physics.acc-ph]

8. Многократное объемное отражение в одном кристалле* Оси формируют много наклонных отражающих плоскостей x Эволюция углов частицы в плоскости y-r** *V. Tikhomirov, PLB 655 (2007) 217; V. Guidi, A. Mazzolari and V. Tikhomirov, JAP 107 (2010) 114908 **V. Tikhomirov, A. Sytov, NIMB 59353(2013)

9. First MVROC observation W. Scandale et al, PLB 682(2009)274 Угол отклонения возрастает в 5 раз

10. Модификации многократного объемного отражения* Угловые распределения отклонения протонов энергией 7 ТэВ на кристаллах кремния и вольфрама в режиме многократного объемного отражения одном кристалле Угловые распределения отклонения протонов энергией 7 ТэВ на кристалле кремния в режимах многократного объемного отражения одном кристалле и комбинированного действия многократно-го объемного отражения и каналирования Угол отклонения на кристалле вольфрама в 3-4 разабольше , этого достаточно для попадания на вторичный коллиматор за одно прохождение Угол отклонения в 3-4 разабольше в случае комбинации 2 эффектов; фракция пучка малой угловой расходимости будет отклоняться в режиме каналирования *V. Tikhomirov, A. Sytov, NIMB 59353 (2013)

11. Выведение пучка из накопительных колец в Национальной лаборатории имени Ферми в США

12. Выведение пучка из накопительного кольца* Параметры кристалла и пучка**: • E = 8 GeV • Длина кристалла = 1mm • Толщина кристалла = 1mm • Угол изниба= 0.5mrad Приложения: Выведение высокоинтенсивного пучка для: • Нейтринных экспериментов(ArgoNeuT, MINERvA, MiniBooNE, MINOS, NOvA, LBNE) • Мюонных экспериментов(Mu2e, MICE) *V. Shiltsev, FNAL, No. DE-AC02-07CH11359; **A.I. Drozhdin, FNAL, No. DE-AC02-07CH11359.

13. Увеличение эффективности каналирования при помощи разрыва кристаллической структуры (кристаллического выреза) до 99%* • Узкий вырез способен значительно увеличить вероятность захвата положительно заряженных частиц в режим стабильного каналирования Кристалл z Пучок вырез z2 z3 z1 0 zc *V. Tikhomirov, JINST, 2 P08006, 2007

14. Фазовое пространство в различных точках кристалла С вырезом Без выреза

15. Применение идеи выреза на накопительном кольце Фазовое пространство на входе в кристалл (при первом попадании) Эффективность каналирования в зависимости от угловой расходимости С вырезом Без выреза Фазовое пространство выведенного пучка

16. Применение идеи выреза на накопительном кольце Зависимость доли потерянных частиц от ориентации кристалла Потери пучка уменьшаются в 2 раза! Многооборотная эффективность выведенного пучка возрастает с 95% до98%. Расчет производился по Монте-Карло при помощи программы, модифицированной для параллельных вычислений, на суперкомпьютере СКИФ К-1000-2

17. Выведение пучка из Дебанчера Угловое распределение при первом прохождении кристалла На входе в кристалл На выходе из кристалла θL for 8 GeV θL for 8 GeV Угловое распределение выведенного пучка Зависимость эффективности выведения от ориентации кристалла

18. Выводы • Создана программа, позволяющая моделировать методом Монте-Карло процессы каналирования, объемного отражения в кристалле. • Эффект многократного объемного отражения в одном кристалле позволяет увеличить угол отклонение в 5 раз по сравнению с обычным объемном отражением. • Применение эффектамногократного объемного отражения в кристалле вольфрама, как и комбинированного действия каналирования и многократного объемного отражения позволит выводить большинство частиц за одно прохождение кристалла. • Проведено моделирование планируемых экспериментов по выведению пучка из накопительных колец в Национальной лаборатории имени Ферми в США. • Эффективность выведения при помощи изогнутого кристалла в экспериментах в ФНАЛ способна достигнуть 95-96%. • Использование идеи кристаллического выреза в эксперименте на накопительном кольце в ФНАЛ позволит уменьшить потери выведенного пучка в 2 раза, а эффективность выведения достигнет 97-98%.