Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В течение 2016 года научной группой в ходе работ по проекту были достигнуты следующие результаты. 1. Анализ подходов к решению задачи разделения адронов в области больших гамма-факторов. Предложения по использованию детекторов переходного излучения (ДПИ) для разделения ядер с различными зарядами в космических лучах в области больших гамма-фактов (вплоть до 10^5) были сформулированы ранее в нескольких работах. Во всех этих работах диапазон энергии фотонов переходного излучения (ПИ) простирался до энергий порядка ~ 100 кэВ и выше, что создаёт значительные трудности при их регистрации. Кроме того, предложенные методы не могут быть использованы в случае зарядов частиц Z=1. Нашей группой предлагается подход, основанный, с одной стороны, на модификации плотности материала радиаторов в сторону её уменьшения, что позволяет контролировать начало генерации ПИ в рентгеновской области, а с другой, на использовании того факта, что зависимости выхода переходного излучения от гамма-факторов различаются для разных диапазонов энергий фотонов ПИ. Дополнительным инструментом, который может повысить эффективность идентификации частиц, является использование угловых характеристик ПИ. Важнейшим элементом разработок является проверка теоретических основ моделей, которые используются в численных расчетах ПИ, и сравнение их результатов с экспериментальными данными. Значительный интерес представляет анализ других эффектов, которые возникают при прохождении релятивистских частиц через вещество и зависят от их гамма-фактора. 2. Аналитические описания спектрально-угловых характеристик переходного излучения для радиаторов различного типа на основе сложных многослойных структур. Понимание формирования ПИ в многослойных структурах, по параметрам отличающихся от стандартных, является ключевым элементом при модификации свойств радиаторов ПИ с уменьшенной плотностью. Был проведён теоретический анализ процессов формирования ПИ для среды, состоящей из тонких плёнок и воздушных промежутков существенно меньших размеров, нежели зона формирования ПИ в этих средах. Было показано, что при соблюдении этих условий, генерация переходного излучения в подобной структуре равносильна случаю использования эквивалентной среды с усреднённой плотностью. Это представляется крайне важным шагом в сторону практической реализации возможности создания радиаторов, изготовленных из вещества с низкой плотностью. 3. Теоретическая и численная оценка вкладов электромагнитных процессов, дополнительных к процессу переходного излучения частиц с ТэВ-ными энергиями. Было показано, что черенковское излучение в рентгеновской области имеет пороговую зависимость от гамма-фактора, которая существенно зависит от свойств среды. Этот факт может быть использован для разделения частиц, однако работы в этом направлении находятся на начальной стадии исследований и должны быть продолжены до полного понимания возможности их практического использования. 4. Программы расчетов и моделирование радиаторов различного типа. Для получения предварительной информации о свойствах радиаторов различного типа была разработана программа быстрого моделирования, которая позволяет получить спектр переходного излучения, сгенерированного в радиаторе и зарегистрированного в детекторе. С помощью этой программы было проведено моделирование радиаторов с материалом пониженной плотности и показано, что при сохранении общего количества материала вдоль пучка (выраженного в г/см^2) возможно заметно изменить границу, при которой появляется переходное излучение. Было также показано, что для значения гамма-фактора, равного 6000, можно уменьшить выход переходного излучения в три раза при изменении плотности материала до 30% от начальной. Дальнейшее изменение плотности не приводит к значительному эффекту, при этом точка насыщения переходного излучения остается на месте (при значении гамма-фактора ~ 2*10^4). Было также показано что гамма зависимости ПИ для диапазонов энергий 6-13 и 13-35 кэВ существенно различаются. Полученные результаты представляют значительный интерес и требуют экспериментальной проверки. На следующем этапе предполагается проведение широкого класса моделирований, которые позволят выделить наиболее перспективные направления исследований. Кроме моделирования радиатора также был сделан важный шаг в сторону полного моделирование ДПИ. Создана полная модель радиатор-детектор и проведено сравнение результатов теоретических расчётов с результатами моделирования. За основу был взят программный пакет GEANT4 и проведено первичное моделирование событий с учётом особенностей строения изучаемой конфигурации детекторов. Предварительные данные демонстрируют согласие результатов моделирования с теоретическими расчётами. Работа в этом направлении будет продолжаться и на следующие этапе. 5. Поиск материалов радиаторов нового типа и разработка прототипов детекторов для испытаний на пучке частиц. Было установлено, что в настоящее время плёнки, удовлетворяющие требованиям, сформулированным в пункте №2, могут быть произведены с использованием микропористого полиэтилена. Единственным условием, которое может затруднить их использование, является получение необходимой плотности и толщины плёнки. Работа в этом направлении требует тесного контакта с компаниями-производителями, что и будет сделано, если возникнет подобная необходимость. Альтернативным же направлением является изготовление составной фольги из более тонких фольг толщиной ~ 5-10 мкм. Если подобный подход сможет быть реализован, он предоставит большую гибкость и свободу в выборе параметров радиатора. Для проверки оценок и предварительных расчетов были изготовлены два типа радиаторов. Каждый из них содержал 150 составных полипропиленовых фольг, расположенных с шагом в 2 мм. Радиаторы первого и второго типа имели разную плотность составных фольг, которая отличалась в 2 раза, при сохранении постоянным значения произведения плотность-толщина фольги. Для проверки работы этих радиаторов были изготовлены упрощённые прототипы детекторов на основе тонкостенных пропорциональных трубок, содержащие 10 активных плоскостей. Тесты были проведены на пучках частиц в ЦЕРНе. В ходе эксперимента использовались пучки электронов и пионов с энергией в 20 ГэВ, а также пучки мюонов с энергией в 180 и 300 ГэВ. Предварительный анализ данных показал, что, использование двух энергетических диапазонов (6-13 кэВ и 13-35 кэВ) действительно позволяет получить разные зависимости от гамма-фактора в объёме одного детектора. Сравнение двух типов радиаторов неожиданно показало эффект, противоположный предсказанному теоретическими расчётами - вместо смещения начала генерации ПИ в сторону больших гамма-факторов, радиатор с малой плотностью дал более ранний выход ПИ, чем радиатор с нормальной плотностью. Для понимания этого явления требуется более детальный анализ как данных, так и рассматриваемой модели генерации переходного излучения. Это направление будет являться одним из приоритетных на следующем этапе работ. Кроме того, были проведены измерения ПИ при повышенном давлении рабочего газа, а также при различных значениях толщины радиаторов. Результаты измерений будут учтены в дальнейшем при разработке детекторов. 6. Концепции детекторов для разделения протонов, каонов и пионов в области энергий частиц 1-6 ТэВ. Для решения поставленной задачи наиболее эффективным представляется использование нескольких типов ДПИ, перекрывающих различные области гама-факторов. С целью проверки различных концепций ДПИ была разработана специальная программа для моделирования. В качестве отправной модели ДПИ была взята трёхкомпонентная конструкция детектора. Детектор в области гамма факторов < 2*10^3 представляет собой традиционный тип детектора. Для больших значений гамма-факторов был взят детектор с радиатором малой плотности и работающий в диапазонах энергий 6-13 кэВ и 13-35 кэВ (концепция двух детекторов в одном). В качестве зависимости отклика детектора на частицы с различным гамма-фактором использовались приблизительные расчётные кривые. Сигналы от проходящих частиц моделировались в соответствии с вероятностями, полученными из функций выхода переходного излучения в данной области энергий. Используя известные отклики каждого детектора, вычислялось значение функций правдоподобия для каждой из рассматриваемых гипотез и далее результаты визуализировались с помощью геометрического метода, схожего с методом построением диаграмм Далица. Результаты моделирования показали, что в рассматриваемой конфигурации детекторов пионы, каоны и протоны имеют характерные зависимости во всём рассматриваемом диапазоне энергий, однако для увеличения точности определения состава частиц требуется, с одной стороны, оптимизация детекторов, а с другой стороны - развитие методов разделения частиц с близкими параметрами. Созданная программа моделирования позволяет включать в рассмотрение сколь угодно много детекторов и легко менять их свойства, наглядно демонстрируя эффективность идентификации частиц. Направление работ, ориентированное на улучшение эффективности идентификации адронов, на следующем этапе будет одним из приоритетных и будет способствовать созданию полноценного программного пакета для проведения тестирования конфигураций детекторов.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
2017 году были продолжены разработки и проверки моделей моделирования переходного излучения. Было показано, что ни одна из существующих программ моделирования, включая GEANT4, не описывает правильно угловые распределения. Был предложен метод как можно его ввести в моделирование. Обсуждается внесение изменений в GEANT4 с разработчиками. Были проведены расчеты и показано, что в случае радиаторов с многими фольгами интерференционные эффекты могут значительно изменить угловое распределение ПИ. Использование только угловой зависимости не может дать точного измерения гамма фактора. Были продолжены разработки методики анализа информации с ДПИ на основе тонкостенных пропорциональных трубок с целью оптимизации разделения частиц в адронном пучке с целью оптимизации разделения частиц в адронном пучке. Были исследованы два метода восстановления состава частиц. Первый - это метод максимального правдоподобия. Второй метод использует фиксированный порог на вероятность сорта частицы. Было показано, что с использованием метода фиксированного порога удается восстановить состав пучка с высокой точностью вплоть до энергий 6 ТэВ при потере статистики в 2 раза. Разделение пионов и протонов не представляет труда вплоть до самых высоких энергий. В случае каонов, когда их концентрация в пучке частиц меньше 1%, возникают трудности их надежной идентификации при энергиях больше 3 ТэВ. Полученные результаты показывают принципиальную возможность разделения частиц различных типов в комбинированном пучке с энергией вплоть до 6 ТэВ. Оптимизация параметров радиаторов и конструкции детектора должна позволить улучшить идентификационные свойства установки. Проведенные теоретические оценки зон формирований ПИ в сложных радиаторах показали невыполнение условия малости толщины пленки по сравнению с зоной формирования излучения в веществе для нескольких из радиаторов, использованных в эксперименте. Численный анализ результатов для электронов 20 ГэВ, мюонов 300 и 170 ГэВ привел к заключению, что для радиатора более высокой плотности приближение эффективной пленки является оправданным, в то время как для радиатора низкой плотности оказалось, что использование приближения эффективной пленки, заложенного в моделирующих программах, может приводить к достаточно заметной, вплоть до порядка, ошибке для мюонов в мягкой части спектра (приближение эффективной пленки завышает правильное значение интенсивности); в более жесткой части спектра приближение эффективной пленки для мюонов 300 ГэВ завышает интенсивность, а для мюонов 170 ГэВ напротив, занижает, хотя и не очень заметно. Кроме того, было показано, что используемая при моделировании формула для спектральной плотности имеет ограниченную область применимости, а часто применяемый метод учета поглощения в материале радиатора вообще говоря некорректен, поскольку не принимается во внимание влияние поглощения на процесс формирования излучения от каждой отдельной фольги. В целом, результаты численного анализа полученных аналитических выражений показывают хорошее согласие форм кривых угловых, спектральных и гамма-зависимостей с данными эксперимента, но вопрос о численном несовпадении результатов с экспериментальными требует дальнейшего исследования, а также дополнительного теоретического анализа заложенных в пакеты моделирования формул и алгоритмов. Были созданы и испытаны на пучках частиц два типа детектора. Один из них - это прототип ДПИ на основе тонкостенных пропорциональных камер, а другой - на основе газовой пиксельной технологии. Рабочий вариант прототипа детектора на основе тонкостенных пропорциональных камер, имеет модульную структуру, что позволяет исследовать его идентификационные свойства в различных конфигурациях детектор-радиатор. Результаты испытаний прототипа детектора переходного излучения на основе ТПТ со специально разработанным радиатором из майлара показали возможность использовать разные энергетические интервалы регистрируемого ПИ для получения различного отклика детектора в зависимости от γ-фактора частиц. Диапазон мягкого ПИ лучше подходит для разделения частиц с γ-факторами от ~1х10^3 до ~8х10^3. Диапазон высоких энергий позволяет продвинуть порог генерации ПИ до ~3x10^3, и его можно эффективно использовать для разделения частиц с близкими значениями массы в диапазоне γ-факторов от ~3x10^3 до ~2x10^4. Показано хорошее согласие данных и результатов моделирования с помощью программы, которая была разработана для описания данного ДПИ, Эти исследования дают прочное основание основу для оптимизации конфигурации детектора, которая позволила бы отделить частицы с γ-факторами в диапазоне ~10^3-4х10^4. Для измерения угловых характеристик ПИ был использован прототип, изготовленный на основе газовой пиксельной технологии. По принципу своей работы эти детекторы схожи с время-проекционными камерами с двумерной считывающей плоскостью. В результате испытаний на пучке было показано, что для электронов и мюонов, спектры энергий отдельных квантов переходного излучения мало отличаются, что оказалось неожиданным результатом. Детальный анализ показал, что это, скорее всего, связано с недостаточном угловом разрешении детектора. В этом случае значительная часть жестких фотонов не восстанавливается поскольку такие фотоны поглощаются слишком близко к треку частицы. Также были получены двухмерные зависимости энергии кластера от угла. Расчеты показали, что угловые распределения фотонов ПИ в случаях электронного и мюонного пучков имеют довольно похожую форму в области углов более 0.5 мрад (угол, больше которого надежно определяется фотонный кластер), однако в случае мюонного пучка ожидаемое число фотонов ПИ примерно в два раза меньше, чем для электронов. Это также наблюдается в экспериментальных данных. Два самых ярко выраженных пика на угловом распределении при углах больше 0.5 мрад находятся при 1 и 2 мрад, что также наблюдалось в экспериментальных данных, хотя аналитические вычисления предсказывают значительно более ярко выраженный пик на 1 мрад по сравнению с тем, что наблюдалось в данных. Результаты тестов с составным радиатором малой плотности подтвердили результаты прошлого года и показали, что переходное излучение от этих радиаторов сильно отличается от предсказаний, использующих упрощенную модель. На основании результатов исследованием с газовым пиленым детектором делается заключение, что изучение спектрально-углового распределения должно быть продолжено с использованием полупроводниковых детекторов, позволяющих получить существенно лучшее угловое разрешение. Планируются исследования на пучке с кремниевыми детекторами большой толщины, имеющими размер ячейки около 50 мкм. Результаты этих исследований могут повлиять на концепцию предлагаемого детектора разделения адронов. Ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: Статьи, опубликованные в 2017 году: 1. V.O.Tikhomirov et al. Some results of test beam studies of Transition Radiation Detector. Journal of Physics Conference Series (2017), v. 798, 012183 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/798/1/012183/pdf 2. E.Celebi at al. Test beam studies of the TRD prototype filled with different gas mixtures based on Xe, Kr, and Ar. Journal of Physics Conference Series (2017), v. 798, 012172 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/798/1/012172/pdf Доклады на конференциях и семинарах: 1. The 3rd International Conference on Particle Physics and Astrophysics, 2-5 октября, Москва. Ю.Смирнов. Measurements of angular distribution and spectrum of transition radiation with a GridPix detector. https://indico.particle.mephi.ru/event/14/contributions/206/attachments/84/94/IcppaTalk_v01.pdf 2. The 3rd International Conference on Particle Physics and Astrophysics, 2-5 октября, Москва. В.Тихомиров. Test beam studies of possibilities to separate particles with gamma factors more than 10^3 with of straw based Transition Radiation Detector. https://indico.particle.mephi.ru/event/14/sessions/6/#20171005/ICPPA2017.pptx 3. Конференция XSCRC2017: Cross sections for Cosmic Rays @ CERN, 29-31 марта 2017, ЦЕРН, Женева. А.Романюк. Progress in TRD for identifying multi-TeV hadrons. https://indico.cern.ch/event/563277/contributions/2529706/attachments/1437477/2211445/SAS_TRD.pdf 4. The XII International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS 2017, Гамбург, Германия, 18 – 22 сентября 2017 года). А.А.Савченко, Validation of Geant4 X-ray transition radiation model for multilayered structure. https://indico.desy.de/indico/event/17328/session/3/contribution/84 Материалы рабочих совещаний: Рабочие совещания по подготовке и проведению тестовых измерений на ускорителе, обработке результатов и моделированию: 1. https://indico.cern.ch/event/663052/contributions/2707227/attachments/1530890/2396021/SAS_meeting_september2017.pdf 2. https://indico.cern.ch/event/663052/contributions/2730610/attachments/1530283/2396286/Filippov_SASLHCCERN_2017_09_27.pdf 3. https://indico.cern.ch/event/655541/contributions/2670125/attachments/1499227/2334231/Straw_prototypes_test_beam_2017.pdf Часть приведенных ресурсов может быть защищена паролем. При необходимости эти материалы могут быть предоставлены по запросу.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В течение 2018 года научной группой в ходе работ по проекту были получены следующие результаты: Единственным типом детекторов, которые могут осуществить идентификацию адронов в ТэВ-ной области энергий, остаются детекторы на основе регистрации рентгеновского переходного излучения. Для того, чтобы разработать и настроить нужным образом детекторы, необходимо тщательным образом уточнить и экспериментально проверить теоретические модели переходного излучения, которые предсказывают такие наблюдаемые величины как число квантов, их энергия и углы вылета. Такие эксперименты требуют высокоточных тонкоструктурированных детекторов с большой эффективностью регистрации квантов переходного излучения в рентгеновском диапазоне энергий. Также очень важной является способность таких детекторов отделить энерговыделение самой частицы от сигналов от поглощенных квантов переходного излучения. Нами впервые проведены высокоточные измерения угловых и энергетических характеристик переходного излучения, выполненные с помощью полупроводниковых детекторов. Одним из детекторов был двухсторонний стриповый кремниевый толщиной 300 мкм и шириной стрипа 50 мкм. Другим - кремниевый пиксельный сенсор толщиной 500 мкм, и размером пикселя 55*55 мкм^2, соединенный с чипом Timepix3. Измерения проводились на пучке H8 ускорителя SPS в ЦЕРН с энергией электронов 20 ГэВ и мюонов с энергиями от 120 до 290 ГэВ при использовании нескольких различных конфигураций радиаторов. Получены уникальные физические результаты. Благодаря замечательной комбинации пространственного и энергетического разрешения кремниевых детекторов, проведены первые подробные исследования пространственно-энергетического спектра переходного излучения. Проведен первичный анализ данных, получены первые изображения высокого разрешения пространственно-энергетического фазового пространства переходного излучения. Характерные интерференционные картины, предсказанные теоретическими моделями, показаны с необычайно высокой детализацией. Продемонстрировано согласие результатов, полученных двумя полупроводниковыми детекторами. Показано хорошее согласие между моделированными и экспериментально полученными энергетическими спектрами фотонов переходного излучения и угловых спектров. Тем не менее, наблюдается некоторое расхождение в деталях, которые требуют дальнейших исследований. Использование известного пакета GEANT4 для моделирования детекторов переходного излучения показало, что он описывает наблюдаемые энергетические спектры, однако угловые распределения описываются недостаточно точно. Были продолжены работы с прототипами ДПИ на основе тонкостенных цилиндрических пропорциональных камер в различных конфигурациях детектор-радиатор. В результате измерений были получены распределения по энергии, регистрируемой в пропорциональных камерах в пучках разных частиц с испытуемыми радиаторами, а также и без радиаторов. Для описания наблюдаемых в эксперименте спектров было проведено компьютерное моделирование методом Монте-Карло с помощью специально разработанной для этого программы. Сравнение результатов моделирования и данных было выполнено для всех имеющихся типов и энергий частиц пучка. Предсказания программы Монте-Карло моделирования хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными – как для разных типов радиаторов, так и для разных типов частиц пучка и их энергий. В результате уточнения моделей теоретических расчетов характеристик переходного излучения было впервые получено аналитическое выражение, описывающее угловое распределение числа фотонов переходного излучения в периодическом радиаторе. Получено аналитическое выражение, описывающее значения углов, на которых наблюдаются пики угловых распределениях. Было показано, что физической причиной появления пиков является одновременное наложение эффектов интерференции в излучении от периодически расположенных пленок радиатора, поляризационные эффекты при генерации переходного излучения, и снятие вырождения по частотам на углах, определяющих положение пиков. Результаты разработанной теории находятся в отличном согласии с полученными нами экспериментальными данными. Сравнение результатов аналитических вычислений с предсказаниями GEANT4 показало, что модель углового распределения РПИ, заложенного в GEANT4, не описывает резких пиков в угловом распределении на малых углах и нуждается в улучшении. Была проделана работа, направленная на определение оптимальной структуры детекторов для разделения частиц в области энергии 1-6 ТэВ. Для этого была разработана аналитическая модель, в которой описаны процессы генерации и поглощения фотонов в ДПИ и получено выражение для количества поглощённых в объёме детектора фотонов, а также для статистической значимости разделения двух нормально распределённых сигналов в детекторе от частиц различного типа. Данные выражения являются функциями числа фольг радиатора и числа тонкостенных дрейфовых трубок, используемых в детекторе. На основе полученных аналитических выражений был разработан программный модуль, который позволяет определить оптимальную конфигурацию детектора путём вычисления соответствующих величин для различного числа фольг радиатора и числа тонкостенных дрейфовых трубок. С помощью разработанного программного модуля была смоделирована конфигурация детектора, которая использовалась во время тестовых испытания прототипа детектора в ЦЕРН в 2018-ом году. Результаты моделирования показали, что выбранные для прототипа параметры были близки к оптимальным во всём энергетическом диапазоне регистрируемых фотонов. Также этот подход был использован при определении конфигурации для полного моделирования составляющих будущего детектора. Широко использующийся программный пакет Geant4 позволяет осуществить полное моделирование детекторов с учетом всех процессов. На данном этапе было проведено моделирование работы ДПИ на основе кремниевых пиксельных детекторов. В результате моделирования получены двумерные зависимости энергии фотонов от угла их вылета, а также одномерные спектры энергии и угла вылета фотонов ПИ. Проведенное сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования показало отличие между угловыми спектрами, полученными экспериментально и смоделированными программой. Были проанализированы возможные причины данного несоответствия и начата работа по внесению изменений в код программного пакета. Сравнение энергетических спектров показало разумное согласие между моделированием и экспериментом, однако в процессе работы стало понятно что, помимо проблемы угловых распределений существует проблема полного описания отклика детектора. Эта работа ведется сейчас. Были продолжены разработки методики анализа информации с ДПИ на основе тонкостенных пропорциональных трубок с целью оптимизации реконструкции адронных спектров. Для оценки способности восстанавливать спектры адронов была разработана методика, основанная на байесовском подходе к определению вероятности. Данный метод был использован для исследования возможности построения детектора для разделения адронов, вылетающих на БАК под малыми углами. В качестве исходных параметров в программу закладывались результаты точного моделирования отклика детекторов, которое показало хорошее согласие с экспериментами на пучках частиц. Результаты моделирования для детектора общей длиной 3 метра продемонстрировали, что спектры адронов могут быть реконструированы с процентной точностью во всём диапазоне рассматриваемых энергий адронов (1-6 ТэВ). Таким образом в результате проведенных исследований была показана принципиальная возможность реконструкции адронных спектров в диапазоне энергий 1-6 ТэВ с использованием ДПИ. Проводимые в рамках проекта разработки, описанные выше, носят фундаментальный характер, и, без сомнения, результаты этих работ будут использованы при создании детекторов переходного излучения для экспериментов в области физики высоких энергий и космических лучей. В настоящее время детектор такого типа востребован в планируемом эксперименте на Большом Адронном Коллайдере, который имеет условное название «A Very Forward Hadron Spectrometer» или «Small Angle Spectrometer-SAS». Предложение такого эксперимента, в котором разрабатываемый нами детектор играет ключевую роль, было доложено на коллаборационных совещаниях экспериментов LHCb и ALICE, а также на различных конференциях и семинарах.