[論文レビュー] Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Far Detector Technical Design Report, Volume III: DUNE Far Detector Technical Coordination

B. Abi, R. Acciarri+964 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

Neutrino Physics Research被引用数 10

ひとこと要約

この技術報告書は、サンフォード地下研究施設に位置する大型液体アルゴン時間飛行型検出器（LArTPC）であるDeep Underground Neutrino Experiment（DUNE）の遠方検出器の設計、統合、調整を詳述している。検出器の機械的・電気的・ソフトウェア的システム、すなわち冷却系、電子機器、キャリブレーション、データ取得を含む、精度の高いニュートリノ物理学および陽子崩壊探索を可能にする。

ABSTRACT

The preponderance of matter over antimatter in the early universe, the dynamics of the supernovae that produced the heavy elements necessary for life, and whether protons eventually decay -- these mysteries at the forefront of particle physics and astrophysics are key to understanding the early evolution of our universe, its current state, and its eventual fate. The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is an international world-class experiment dedicated to addressing these questions as it searches for leptonic charge-parity symmetry violation, stands ready to capture supernova neutrino bursts, and seeks to observe nucleon decay as a signature of a grand unified theory underlying the standard model. The DUNE far detector technical design report (TDR) describes the DUNE physics program and the technical designs of the single- and dual-phase DUNE liquid argon TPC far detector modules. Volume III of this TDR describes how the activities required to design, construct, fabricate, install, and commission the DUNE far detector modules are organized and managed. This volume details the organizational structures that will carry out and/or oversee the planned far detector activities safely, successfully, on time, and on budget. It presents overviews of the facilities, supporting infrastructure, and detectors for context, and it outlines the project-related functions and methodologies used by the DUNE technical coordination organization, focusing on the areas of integration engineering, technical reviews, quality assurance and control, and safety oversight. Because of its more advanced stage of development, functional examples presented in this volume focus primarily on the single-phase (SP) detector module.

研究の動機と目的

• DUNE遠方検出器の部品における技術的仕様および統合フレームワークを定義すること。
• 国際機関および技術的サブシステム間での円滑な調整を確保すること。
• 70キロトン級の液体アルゴン時間飛行型検出器（LArTPC）を、高精度ニュートリノ検出が可能な堅牢な設計で実現すること。
• 未踏の感度を実現する長基準距離ニュートリノ振動研究および陽子崩壊探索を可能にすること。
• 検出器の建設、キャリブレーション、データ取得のための標準化されたインターフェースおよび文書化を提供すること。

提案手法

• 遠方検出器は、70キロトン級の液体アルゴン時間飛行型検出器（LArTPC）として設計されており、モジュラー構造とクライオスタットベースのアーキテクチャを採用している。
• 検出器は、イオン化電荷収集およびドリフト電場制御のためのワイヤープレーンを備えた二相型TPC設計を採用している。
• 包括的なインターフェース文書セットが、DAQ、CISC、キャリブレーション、高電圧システムなどのサブシステム間の相互作用を定義している。
• 標準化されたプロトコルと調整フレームワークを通じて、機械的・電気的・ソフトウェア的システムを統合している。
• 冷却系は液体アルゴンを87 Kで維持しており、広範な熱的・放射線的シールドが施されている。
• 専任のキャリブレーション作業チームが、検出器応答の検証のための光学的および電子的キャリブレーション源の展開を調整している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深地下環境において、70キロトン級の大型液体アルゴンTPCを、高精度ニュートリノ検出に向けた設計で実現するにはどうすればよいか？
• RQ2 多様な国際的サブシステムを統合するために必要な技術的インターフェースおよび調整プロトコルは何か？
• RQ3 複数の検出器モジュールにわたる検出器の均一性、安定性、キャリブレーションをどのように確保できるか？
• RQ4 遠方検出器とLBNFインfra構造との間の主要な機械的・電気的・ソフトウェア的インターフェースは何か？
• RQ5 検出器がニュートリノ振動測定および陽子崩壊探索に必要な感度を達成するにはどうすればよいか？

主な発見

• DUNE遠方検出器は、モジュラー構造とクライオスタットベースのアーキテクチャを有する70キロトン級の液体アルゴン時間飛行型検出器（LArTPC）として設計されている。
• すべてのサブシステムにわたる標準化された機械的および電気的インターフェースにより、検出器の高い均一性と安定性が確保されている。
• インターフェース文書化により、データ取得（DAQ）、キャリブレーション、高電圧システム、コンピューティング（CISC）のための明確なプロトコルが確立されている。
• 冷却、電子、光学のキャリブレーションシステムの統合により、検出器全体にわたる正確な応答キャリブレーションが可能になっている。
• 技術的調整フレームワークにより、100以上の機関が協力し、すべての検出器部品の相互運用性が保証されている。
• 設計により、陽子崩壊の寿命が10^34年を超える感度が達成可能であり、DUNE実験の主要な物理学的目標を満たしている。