[論文レビュー] Performance of a modular ton-scale pixel-readout liquid argon time projection chamber

DUNE Collaboration, B. Abi+1363 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

イメージング性能とシステム統合を、DUNE ND用のモジュラー式トン規模ピクセル読み出しLArTPCプロトタイプであるModule-0について、80kピクセル電荷読み出しと高度な光検出を用い、約25百万の宇宙線イベントとともに8日間にわたり実証。

ABSTRACT

The Module-0 Demonstrator is a single-phase 600 kg liquid argon time projection chamber operated as a prototype for the DUNE liquid argon near detector. Based on the ArgonCube design concept, Module-0 features a novel 80k-channel pixelated charge readout and advanced high-coverage photon detection system. In this paper, we present an analysis of an eight-day data set consisting of 25 million cosmic ray events collected in the spring of 2021. We use this sample to demonstrate the imaging performance of the charge and light readout systems as well as the signal correlations between the two. We also report argon purity and detector uniformity measurements, and provide comparisons to detector simulations.

研究の動機と目的

• DUNE ND-LAr設計のプロトタイプとして、トン規模のLArTPC（Module-0）におけるピクセルベースの3D電荷読み出しのイメージング能力を示す。
• イベント再構成とタイミングの観点から、同時の電荷および光読み出しシステムの性能を評価する。
• 大量の宇宙線データセットを用いて検出器の純度、電場の均一性、データ/シミュレーションの一致を特徴付ける。
• モジュール型近接検出器プロトタイプにおける電荷と光の読み出しインターフェース、データ取得、トリガ、タイミングの統合を評価する。

提案手法

• 1タイルあたり4,900ピクセルのパッドを持つ、対向する2つのアノード平面上の2次元パッド配列を用いて、ピクセルベースの3D読み出しを実現する。
• 自己トリガ付きピクセル読み出しを低消費 cryogenic動作で実現するために、64チャネルのLArPix-v2 ASICを採用する。
• ピクセル配列コントローラとネットワーク（PACMAN）を統合して、ヒットレベルのタイムスタンプとオフライン時系列フィルタリングを用いた協調データ取得とタイミングを実現する。
• ArCLightとLight Collection Module (LCM) を実装して高カバレッジのフォトン検出を実現し、波長シフターとしてTPB、光捕獲のためのバルクドーパントを使用する。
• 中核カソードと30 cmのドラフト距離を持つ0.7 m × 0.7 m × 1.4 m のモジュールで運用し、8日間の宇宙線データ収集を行う（約2500万イベント）。
• 測定された性能を検出器シミュレーションと比較し、純度、電場の均一性、電荷–光信号の一致を報告する。

Figure 1: Gallery of four representative cosmic ray-induced events collected with Module-0 , as recorded in the raw event data, with collected charge converted to units of thousands of electrons. In all cases, the central plane in grey denotes the cathode, and the color scale denotes the collected c

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トン規模のLArTPCでピクセルベースの3D電荷読み出しは、従来のワイヤー読み出しと比べてどれほど優れているか？
• RQ2 高カバレッジの光検出システムが、LArTPCにおける正確なイベントタイミングと電荷–光同期に対して実現可能かつどの程度の性能を示すか？
• RQ3 統合された電荷と光の読み出しが、近接検出環境での3Dイベントの明瞭な再構成と積み重ねの緩和を可能にするか？
• RQ4 宇宙線データ取得条件下でのモジュール型ピクセル読み出しLArTPCプロトタイプの運用特性（純度、電場の均一性、データレート）はどうなるか？

主な発見

• Module-0は2つのアノード平面にわたり約78,400個の計測ピクセルを達成した。
• 宇宙線自己トリガー率はピクセルあたり約0.25 Hz、全体のピクセルヒットは約20 kHz、全体検出器のデータレートは約2.5 Mb/sに相当。
• 読み出しシステムはチャンネルあたり2つの閾値領域を用いて動作した（低閾値約5.8 ke-/ピクセル、高閾値約10.7 ke-/ピクセル）– 感度とトリガ安定性のバランスをとる。
• ASICは運用中に故障せず、オフライン時系列整列とほぼリアルタイム監視のためのタイムスタンプ付けを備えたロバストな“hydra”ネットワークデータルーティングを実証した。
• 純度、電場の均一性、電荷–光信号の一致を特徴付け、シミュレーションと比較して検出器性能を検証した。

Figure 2: Schematic of the $0.7~{}\mathrm{m}\times 0.7~{}\mathrm{m}\times 1.4~{}\mathrm{m}$ Module-0 detector with annotations of the key components.