[論文レビュー] Status of ProtoDUNE Dual Phase

C. Cuesta|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、CERNに設置された300トン級液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LAr TPC）であるProtoDUNE-Dual Phase検出器の現状を提示している。DUNE実験のためのデュアルフェーズ技術の検証を目的としており、高い信号対ノイズ比での電荷読み出し、安定した電子ドリフト、および相関するシンチレーション光検出を実現し、DUNEの遠方検出器建設に向けた検出器性能と安定性の主要なマイルストーンを達成した。

ABSTRACT

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a dual-site experiment for long baseline neutrino oscillation studies, and for neutrino astrophysics and nucleon decay searches. DUNE will comprise four 10 kton fiducial liquid argon time-projection-chamber (LAr TPC) modules placed at the Sanford Underground Research Facility (South Dakota, USA). One of these modules will profit form the dual phase (DP) technology where the charge is extracted, amplified, and detected in gaseous argon above the liquid surface allowing a fine readout pitch, a low energy threshold, and good pattern reconstruction of the events. To gain experience in building and operating such a large-scale DP LAr detector, a prototype is currently being assembled at the CERN Neutrino Platform. The ProtoDUNE-DP detector consists of a 6x6x6 m3 LAr TPC and commissioning started in Summer 2019.

研究の動機と目的

• DUNE遠方検出器用に、大規模なプロトタイプを用いてデュアルフェーズ液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LAr TPC）技術を検証すること。
• 電荷読み出し平面、高電圧システム、冷却装置のインストルメンテーションを含む主要サブシステムの設計、組立、運用をテストすること。
• 実際の条件下で、6×6×6 m³のLAr TPCにおいて、電子ドリフトおよび増幅の長期的安定性と性能を実証すること。
• デュアルフェーズ信号読み出しと光検出を用いて、高い空間分解能および時間分解能を達成し、低エネルギー閾値検出を実現すること。
• 4基の10キロトン級DUNE遠方検出器モジュールの設計および建設に不可欠なデータを提供すること。

提案手法

• ProtoDUNE-DP検出器は、6×6×6 m³の液体アルゴン体積を有し、イオン化電子が液体-蒸気界面へドリフトし、気体アルゴンで増幅されるデュアルフェーズ読み出しシステムを採用している。
• 電子は3.125 mmピッチのステンレス鋼ワイヤーグリッドを介して抽出され、大規模電子増倍器（LEM）構造で増幅され、電荷収集のための二次的電気光放出を生じる。
• 電荷信号は、36 × 0.5×0.5 m²の電荷読み出し平面（CRP）から読み取られ、それぞれがLEMアノードサンドイッチを含む。初期構成では、2つの完全にインストルメント化されたCRPと2つのLEMを装備しないCRPが設置された。
• 冷却前端電子回路はCMOS ASICを基盤とし、110 Kで動作する。データ変換は室温でのμTCA AMCカードで行われ、10 Gbit/sのデータ転送を可能にしている。
• シンチレーション光は、36個の冷却型PMトランスポンダ（8インチ、R5912-02MOD）で検出され、波長シフト材（PENまたはTPB）と、応答の均一化を図るためのファイバー基盤LEDキャリブレーションシステムを併用している。
• アルゴンの純度、温度、液体レベル、システム挙動をモニタリングする包括的なスローコントロールおよび冷却装置インストルメンテーションシステムを導入し、データ品質を確保している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非真空冷却タンク内において、大規模なデュアルフェーズLAr TPCが、高い電子寿命と低ノイズを維持して長期安定運転を達成できるか？
• RQ2 デュアルフェーズ電荷読み出しシステムの性能、特に信号増幅、電荷収集の均一性、空間分解能はいかがなものか？
• RQ3 シンチレーション光信号と収集電荷との間に明確な相関が認められるか？また、それらはイベントタイミングやバックグラウンド抑制に有効に利用可能か？
• RQ4 高電圧システムおよびLEM増幅部材が、大容量検出器において長期にわたり安定して動作できるか？
• RQ5 検出器の性能が、特にエネルギー閾値とパターン再構築の観点で、DUNE遠方検出器の設計目標とどの程度一致しているか？

主な発見

• 3×1×1 m³のデモンストレータで、約4 msの電子寿命を達成し、アルゴンの高純度を示した。
• 有効増幅率が約3の最初のデータでは、低ノイズで高品質なイオン化信号のイメージングが確認され、デュアルフェーズ読み出しの実現可能性が裏付けられた。
• 読み出し平面の3 m長のストリップ間で、電荷収集がほぼ均一化されており、活性領域全体での性能の一貫性が示された。
• 気相における電気光放出と収集電荷との間に明確な相関が観測され、デュアルフェーズ信号応答メカニズムの妥当性が検証された。
• 宇宙線イベントが気相および液体アルゴン両方で正常に記録され、図4に示すようにPMトランスポンダで明著なシンチレーション光信号が観測された。
• シンチレーション光を用いた非ビームイベントのトリガーが成功裏に実現され、正確なイベント時刻再構築とバックグラウンド抑制が可能となった。