Design of the DUNE horizontal drift far detector charge readout electronics and performance in ProtoDUNE-HD
यह शोध पत्र DUNE क्षै로त्मक ड्रिफ्ट फार डिटेक्टर (horizontal drift far detector) के लिए कस्टम क्रायोजेनिक चार्ज रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स के डिज़ाइन का वर्णन करता है और CERN में संचालित ProtoDUNE-HD प्रोटोटाइप के डेटा पर आधारित उनके प्रदर्शन के परिणाम प्रस्तुत करता है।
मूल लेखक: DUNE Collaboration, S. Abbaslu, F. Abd Alrahman, A. Abed Abud, R. Acciarri, L. P. Accorsi, M. A. Acero, M. R. Adames, G. Adamov, M. Adamowski, K. Adhikari, C. Adriano, K. Agudelo-Jaramillo, F. Akbar, F. Alemanno, N. S. Alex, L. Aliaga Soplin, A. Alqaisi, M. Alrashed, A. Alton, R. Alvarez, T. Alves, A. Aman, H. Amar, R. Amarinei, P. Amedo, E. P. M. Amorim, J. Anderson, D. A. Andrade, C. Andreopoulos, M. Andreotti, M. P. Andrews, F. Andrianala, S. Andringa, F. Anjarazafy, S. Ansarifard, D. Antic, A. Antonakis, A. Aranda-Fernandez, T. Araya-Santander, L. Arellano, E. Arrieta Diaz, M. A. Arroyave, M. Artero Pons, J. Asaadi, M. Ascencio, A. Ashkenazi, L. Asquith, E. Atkin, D. Auguste, A. Aurisano, V. Aushev, D. Autiero, D. Ávila Gómez, M. B. Azam, F. Azfar, J. J. Back, Y. Bae, I. Bagaturia, L. Bagby, H. Bagdu, S. Balasubramanian, A. Balboni, P. Baldi, W. Baldini, E. Baldo, J. Baldonedo, B. Baller, B. Bambah, F. Barao, D. Barbu, G. Barenboim, P. Barham Alzás, G. J. Barker, W. Barkhouse, E. Barlas Yucel, G. Barr, W. Barrett, D. Barrow, J. L. Barrow, A. Basharina-Freshville, A. Bashyal, V. Basque, M. Bassani, D. Basu, L. Bathe-Peters, J. G. Batista Sigolo, J. B. R. Battat, F. Battisti, J. Bautista, F. Bay, J. L. L. Bazo Alba, J. F. Beacom, E. Bechetoille, A. Beever, B. Behera, E. Belchior, B. Bell, G. Bell, L. Bellantoni, G. Bellettini, V. Bellini, O. Beltramello, C. Benitez Montiel, D. Benjamin, K. Benslama, F. Bento Neves, J. Berger, S. Berkman, J. Bermudez, J. Bernal, P. Bernardini, A. Bersani, E. Bertholet, E. Bertolini, S. Bertolucci, M. Betancourt, A. Betancur Rodríguez, Y. Bezawada, A. T. Bezerra, A. Bhat, V. Bhatnagar, M. Bhattacharjee, S. Bhattacharjee, M. Bhattacharya, S. Bhuller, B. Bhuyan, S. Biagi, J. Bian, K. Biery, B. Bilki, A. Binau, M. Bishai, P. Bishop, A. Blake, A. Blanchet, F. D. Blaszczyk, G. C. Blazey, E. Blucher, A. Bodek, B. Bogart, J. Boissevain, S. Bolognesi, T. Bolton, L. Bomben, M. Bonesini, C. Bonilla-Diaz, A. Booth, F. Boran, C. Borden, R. Borges Merlo, D. Borodulina, N. Bostan, G. Botogoske, B. Bottino, R. Bouet, J. Boza, B. Brahma, D. Brailsford, F. Bramati, A. Branca, A. Brandt, J. Bremer, S. J. Brice, S. Brickner, V. Brio, C. Brizzolari, C. Bromberg, J. Brooke, A. Bross, G. Brunetti, M. B. Brunetti, N. Buchanan, H. Budd, J. Buergi, A. Bundock, D. Burgardt, S. Butchart, G. Caceres V., R. Calabrese, R. Calabrese, J. Calcutt, L. Calivers, S. Calvez, E. Calvo, A. Caminata, A. F. Camino, W. Campanelli, A. Campani, A. Campos Benitez, N. Canci, J. Capó, I. Caracas, D. Caratelli, D. Carber, G. Carini, M. F. Carneiro, P. Carniti, I. Caro Terrazas, H. Carranza, N. Carrara, L. Carroll, A. Carter, J. Carvalho Roberto, E. Casarejos, D. Casazza, J. F. Castaño Forero, F. A. Castaño, C. Castromonte, E. Catano-Mur, C. Cattadori, F. Cavalier, F. Cavanna, S. Centro, G. Cerati, C. Cerna, A. Cervelli, A. Cervera Villanueva, J. Chakrani, M. Chalifour, A. Chappell, A. Chatterjee, B. Chauhan, C. Chavez Barajas, H. Chen, M. Chen, W. C. Chen, Y. Chen, Z. Chen, D. Cherdack, S. S. Chhibra, C. Chi, F. Chiapponi, R. Chirco, N. Chitirasreemadam, K. Cho, S. Choate, G. Choi, D. Chokheli, P. S. Chong, O. Chow, B. Chowdhury, D. Christian, E. Church, M. F. Cicala, M. Cicerchia, V. Cicero, R. Ciolini, P. Clarke, G. Cline, A. G. Cocco, J. A. B. Coelho, A. Cohen, J. Collazo, J. Collot, H. Combs, J. M. Conrad, L. Conti, T. Contreras, M. Convery, K. Conway, S. Copello, P. Cova, C. Cox, L. Cremonesi, J. I. Crespo-Anadón, M. Crisler, E. Cristaldo, J. Crnkovic, G. Crone, R. Cross, T. Cruz, A. Cudd, C. Cuesta, Y. Cui, F. Curciarello, D. Cussans, O. Dalager, W. Dallaway, R. D'Amico, H. da Motta, Z. A. Dar, R. Darby, L. Da Silva Peres, Q. David, G. S. Davies, S. Davini, J. Dawson, R. De Aguiar, K. H. De Barros, P. Debbins, M. P. Decowski, A. de Gouvêa, P. C. De Holanda, P. De Jong, P. Del Amo Sanchez, G. De Lauretis, A. Delbart, M. Delgado, A. Dell'Acqua, G. Delle Monache, N. Delmonte, P. De Lurgio, G. De Matteis, J. R. T. de Mello Neto, A. P. A. De Mendonca, D. M. DeMuth, S. Dennis, C. Densham, P. Denton, G. W. Deptuch, V. De Romeri, J. P. Detje, J. Devine, K. Dhanmeher, R. Dharmapalan, M. Dias, A. Diaz, J. S. Díaz, F. Díaz, F. Di Capua, A. Di Domenico, S. Di Domizio, S. Di Falco, D. Di Ferdinando, L. Di Giulio, P. Ding, L. Di Noto, E. Diociaiuti, G. Di Sciascio, C. Distefano, R. Di Stefano, R. Diurba, M. Diwan, Z. Djurcic, S. Dolan, M. Dolce, M. J. Dolinski, D. Domenici, S. Dominguez, S. Donati, S. Doran, D. Douglas, T. A. Doyle, F. Drielsma, D. J. Drobner, D. Duchesneau, K. Duffy, K. Dugas, P. Dunne, S. Durando, B. Dutta, D. A. Dwyer, A. S. Dyshkant, S. Dytman, M. Eads, A. Earle, S. Edayath, D. Edmunds, J. Eisch, S. Elias, J. Ellis, W. Emark, P. Englezos, A. Ereditato, D. T. Ergonul, T. Erjavec, C. O. Escobar, J. J. Evans, E. Ewart, A. C. Ezeribe, K. Fahey, A. Falcone, C. Fang, M. Fani', F. Fanomezana, D. Faragher, C. Farnese, Y. Farzan, J. Felix, Y. Feng, M. Ferreira da Silva, E. Fialova, L. Fields, P. Filip, A. Filkins, F. Filthaut, G. Fiorillo, M. Fiorini, N. F. Fiuza De Barros, S. Fogarty, W. Foreman, B. Fossing, J. Fowler, J. Franc, K. Francis, D. Franco, J. Franklin, J. Freeman, J. Fried, A. Friedland, S. Fuess, I. K. Furic, K. Furman, A. P. Furmanski, R. Gaba, A. Gabrielli, A. M Gago, F. Galizzi, H. Gallagher, M. Galli, N. Gallice, V. Galymov, E. Gamberini, T. Gamble, R. Gan, R. Gandhi, S. Ganguly, F. Gao, S. Gao, A. Garcia, D. Garcia-Gamez, M. Á. García-Peris, V. Garcia Pol, S. Gardiner, P. Gauzzi, G. Ge, N. Geffroy, B. Gelli, S. Gent, A. Ghosh, T. Giammaria, D. Gibin, I. Gil-Botella, A. Gioiosa, S. Giovannella, A. K. Giri, V. Giusti, D. Gnani, O. Gogota, S. Gollapinni, K. Gollwitzer, R. A. Gomes, L. S. Gomez Fajardo, D. Gonzalez-Diaz, J. Gonzalez-Santome, M. C. Goodman, S. Goswami, C. Gotti, J. Goudeau, C. Grace, E. Gramellini, R. Gran, P. Granger, C. Grant, D. R. Gratieri, G. Grauso, P. Green, S. Greenberg, W. C. Griffith, A. Gruber, K. Grzelak, L. Gu, W. Gu, V. Guarino, M. Guarise, R. Guenette, M. Guerzoni, D. Guffanti, A. Guglielmi, F. Y. Guo, A. Gupta, V. Gupta, G. Gurung, D. Gutierrez, P. Guzowski, M. M. Guzzo, S. Gwon, A. Habig, R. Hafeji, L. Hagaman, A. Hahn, J. Hakenmüller, A. Hambardzumyan, T. Hamernik, P. Hamilton, J. Hancock, M. Handley, F. Happacher, B. Harris, D. A. Harris, L. Harris, A. L. Hart, J. Hartnell, T. Hartnett, T. Hasegawa, C. M. Hasnip, K. Hassinin, R. Hatcher, S. Hawkins, J. Hays, M. He, A. Heavey, K. M. Heeger, A. Heindel, J. Heise, K. Heller, P. Hellmuth, L. Henderson, A. Hergenhan, J. Hernández, M. A. Hernandez Morquecho, K. Herner, V. Hewes, A. Higuera, A. Himmel, E. Hinkle, L. R. Hirsch, J. Ho, J. Hoefken Zink, J. Hoff, A. Holin, C. Hong, S. Horiuchi, G. A. Horton-Smith, R. Hosokawa, T. Houdy, B. Howard, I. Hristova, M. S. Hronek, Y. Hua, J. Huang, R. G. Huang, X. Huang, Z. Hulcher, A. Hussain, G. Iles, N. Ilic, A. M. Iliescu, R. Illingworth, F. Imamoglu, G. Ingratta, A. Ioannisian, M. Ismerio Oliveira, C. M. Jackson, A. Jacobi, V. Jain, C. James, E. James, W. Jang, B. Jargowsky, D. Jena, I. Jentz, C. Jiang, J. Jiang, A. Jipa, J. H. Jo, F. R. Joaquim, A. M. Johnson, W. Johnson, C. Jollet, M. Joshi, N. Jovancevic, M. Judah, C. K. Jung, K. Y. Jung, T. Junk, Y. Jwa, M. Kabirnezhad, A. C. Kaboth, I. Kadenko, O. Kalikulov, D. Kalra, M. Kandemir, S. Kar, C. Karagianni, G. Karagiorgi, G. Karaman, A. Karcher, Y. Karyotakis, S. P. Kasetti, L. Kashur, A. Kauther, N. Kazaryan, L. Ke, E. Kearns, P. T. Keener, A. Kelly, K. J. Kelly, R. Keloth, O. Kemularia, J. Kerby, Y. Kermaidic, W. Ketchum, S. H. Kettell, N. Khan, A. Khvedelidze, D. Kim, J. Kim, M. J. Kim, S. Kim, B. King, M. King, M. Kirby, A. Kish, J. Klein, J. Kleykamp, T. Kobilarcik, L. Koch, K. Koehler, L. W. Koerner, D. H. Koh, K. Kong, M. Kordosky, V. A. Kostelecký, I. Kotler, M. Kramer, F. Krennrich, T. Kroupova, S. Kubota, M. Kubu, V. A. Kudryavtsev, G. Kufatty, A. Kumar, J. Kumar, M. Kumar, P. Kumar, S. Kumaran, J. Kunzmann, V. Kus, T. Kutter, J. Kvasnicka, T. Labree, M. Lachat, T. Lackey, I. Lalău, A. Lambert, B. J. Land, C. E. Lane, N. Lane, K. Lang, M. Langstaff, F. Lanni, S. Lanzi, J. Larkin, P. Lasorak, D. Last, G. Laurenti, E. Lavaut, W. Lavrijsen, H. Lay, I. Lazanu, R. LaZur, M. Lazzaroni, S. Leardini, J. Learned, G. Lehmann Miotto, R. Lehnert, M. Leitner, H. Lemoine, D. Leon Silverio, L. M. Lepin, J. D. Lewis, J. -Y Li, S. W. Li, Y. Li, R. C. R. Lima, R. Lima, C. S. Lin, D. Lindebaum, S. Linden, A. Lister, B. R. Littlejohn, J. Liu, Y. Liu, M. Lkhagvadorj, S. Lockwitz, I. Lomidze, J. Lopez, I. López de Rego, N. López-March, A. Lopez Moreno, J. M. LoSecco, A. Lozano Sanchez, X. -G. Lu, K. B. Luk, X. Luo, G. Lupi, E. Luppi, A. A. Machado, P. Machado, C. T. Macias, J. R. Macier, A. Madorsky, S. Magill, C. Magueur, K. Mahn, A. Maio, N. Majeed, K. Majumdar, A. Malige, S. Mameli, M. Man, R. C. Mandujano, J. Maneira, S. Manly, K. Manolopoulos, M. Manrique Plata, S. Manthey Corchado, L. Manzanillas-Velez, E. Mao, M. Marchan, A. Marchionni, D. Marfatia, C. Mariani, J. Maricic, R. Marie, F. Marinho, A. D. Marino, T. Markiewicz, F. Das Chagas Marques, M. Marshak, C. M. Marshall, J. Marshall, J. Martin, M. Martin, L. Martina, J. Martín-Albo, D. A. Martinez Caicedo, M. Martinez-Casales, F. Martínez López, S. Martynenko, V. Mascagna, A. Mastbaum, M. Masud, F. Matichard, G. Matteucci, J. Matthews, C. Mauger, N. Mauri, K. Mavrokoridis, I. Mawby, T. McAskill, N. McConkey, B. McConnell, K. S. McFarland, C. McGivern, C. McGrew, A. McNab, C. McNulty, J. Mead, L. Meazza, V. C. N. Meddage, A. Medhi, M. Mehmood, B. Mehta, P. Mehta, F. Mei, P. Melas, L. Mellet, T. C. D. Melo, O. Mena, D. P. Méndez, A. Menegolli, G. Meng, A. Mengarelli, A. C. E. A. Mercuri, A. Meregaglia, G. Merino, M. D. Messier, S. Metallo, W. Metcalf, M. Mewes, H. Meyer, T. Miao, J. Micallef, A. Miccoli, G. Michna, R. Milincic, F. Miller, G. Miller, W. Miller, A. Minotti, L. Miralles Verge, C. Mironov, S. Miscetti, P. Mishra, S. R. Mishra, D. Mladenov, I. Mocioiu, A. Mogan, P. S. Mohan, R. Mohanta, T. A. Mohayai, N. Mokhov, J. Molina, L. Molina Bueno, E. Montagna, A. Montanari, C. Montanari, D. Montanari, D. Montanino, L. M. Montaño Zetina, M. Mooney, A. F. Moor, M. Moore, Z. Moore, B. Moreira, D. Moreno, G. Moreno-Granados, O. Moreno-Palacios, L. Morescalchi, A. Morita, E. Motuk, C. A. Moura, W. Mu, L. Mualem, J. Mueller, M. Muether, A. Muir, Y. Mukhamejanov, A. Mukhamejanova, E. Muldoon, M. Mulhearn, D. Munford, L. J. Munteanu, H. Muramatsu, J. Muraz, M. Murphy, T. Murphy, A. Mytilinaki, J. Nachtman, Y. Nagai, S. Nagu, H. Nam, D. Naples, S. Narita, J. Nava, D. Navas-Nicolás, A. Navrer-Agasson, N. Nayak, M. Nebot-Guinot, A. Nehm, J. K. Nelson, O. Neogi, J. Nesbit, M. Nessi, D. Newbold, M. Newcomer, D. Newmark, L. Nguyen, R. Nichol, F. J. Nicolas-Arnaldos, A. Nielsen, A. Nikolica, J. Nikolov, E. Niner, X. Ning, K. Nishimura, A. Norman, A. Norrick, F. Noto, P. Novella, A. Nowak, J. A. Nowak, M. Oberling, J. P. Ochoa-Ricoux, S. Oh, S. B. Oh, A. Olivier, T. Olson, Y. Onel, Y. Onishchuk, A. Oranday, G. P. Orebi Gann, A. I. R. Orimogunje, M. Osbiston, J. E. Ossa Sanchez, L. O'Sullivan, L. Otiniano Ormachea, L. Pagani, O. Palamara, S. Palestini, J. M. Paley, M. Pallavicini, C. Palomares, B. Pan, S. Pan, M. Panareo, P. Panda, V. Pandey, W. Panduro Vazquez, E. Pantic, V. Paolone, A. Papadopoulou, R. Papaleo, D. Papoulias, S. Paramesvaran, J. Park, J. Park, Y. Park, S. Parke, S. Parsa, M. Parvu, D. Pasciuto, S. Pascoli, L. Pasqualini, G. Patel, J. L. Paton, C. Patrick, L. Patrizii, R. B. Patterson, T. Patzak, A. Paudel, L. Paulucci, Z. Pavlovic, G. Pawloski, D. Payne, A. Peake, V. Pec, E. Pedreschi, S. J. M. Peeters, L. Pelegrina-Gutiérrez, W. Pellico, E. Pennacchio, A. Penzo, O. L. G. Peres, Y. F. Perez Gonzalez, L. Pérez-Molina, C. Pernas, J. Perry, D. Pershey, G. Pessina, G. Petrillo, C. Petta, R. Petti, M. Pfaff, V. Pia, G. M. Piacentino, L. Pickering, G. Piemonti, L. Pierini, F. Pietropaolo, M. Pimenta Sampaio, V. L. Pimentel, G. Pinaroli, S. Pincha, J. Pinchault, K. Pitts, P. Plesniak, K. Pletcher, K. Plows, C. Pollack, F. Polleri, T. Pollmann, F. Pompa, X. Pons, N. Poonthottathil, F. Poppi, J. Porter, L. G. Porto Paixão, M. Pozzato, R. Pradhan, L. Prais, T. Prakash, M. Prest, F. Psihas, D. Pugnere, D. Pullia, X. Qian, J. Quelin-Lechevranton, J. L. Raaf, V. Radeka, J. Rademacker, F. Raffaelli, A. Rafique, U. Rahaman, A. Rahe, S. Rajagopalan, M. Rajaoalisoa, I. Rakhno, L. Rakotondravohitra, M. A. Ralaikoto, L. Ralte, L. Ralte, M. A. Ramirez Delgado, B. Ramson, S. S. Randriamanampisoa, A. Rappoldi, G. Raselli, T. Rath, P. Ratoff, R. Raut, R. Ray, H. Razafinime, R. F. Razakamiandra, E. M. Rea, J. S. Real, B. Rebel, R. Rechenmacher, M. Reggiani-Guzzo, J. Reichenbacher, S. D. Reitzner, E. Renner, S. Repetto, S. Rescia, F. Resnati, J. V. Restrepo Laverde, C. Reynolds, S. Riboldi, C. Riccio, G. Riccobene, J. S. Ricol, M. Rigan, A. Rikalo, A. Ritchie-Yates, D. Rivera, A. Rivetti, A. Robert, E. Robles, A. Roche, M. Roda, D. Rodas Rodríguez, M. J. O. Rodrigues, J. Rodriguez Rondon, S. Rosauro-Alcaraz, P. Rosier, D. Ross, M. Rossella, M. Ross-Lonergan, N. Roy, P. Roy, C. Royon, C. Rubbia, D. Rudik, A. Ruggeri, G. Ruiz Ferreira, K. Rushiya, B. Russell, E. Sabater Andres, S. Sacerdoti, N. Saduyev, D. Sagar, S. Saha, S. K. Sahoo, N. Sahu, S. Sakhiyev, P. Sala, N. Sallin, G. Salmoria, S. Samanta, M. C. Sanchez, A. Sánchez-Castillo, P. Sanchez-Lucas, D. A. Sanders, S. Sanfilippo, G. Santoni, D. Santoro, N. Saoulidou, P. Sapienza, I. Sarcevic, I. Sarra, C. Sauer, L. Sauer, G. Savage, V. Savinov, A. Scanu, A. Scaramelli, T. Schefke, H. Schellman, S. Schifano, P. Schlabach, D. W. Schmitz, A. W. Schneider, K. Scholberg, A. Schroeder, A. Schukraft, B. Schuld, S. Schwartz, A. Segade, H. Segal, E. Segreto, A. Selyunin, D. Senadheera, C. R. Senise, J. Sensenig, S. H. Seo, D. Seppela, M. H. Shaevitz, P. Shanahan, P. Sharma, R. Kumar, S. Sharma Poudel, K. Shaw, T. Shaw, J. Shen, C. Shepherd-Themistocleous, J. Shi, W. Shi, S. Shin, S. Shivakoti, A. Shmakov, I. Shoemaker, D. Shooltz, R. Shrock, M. Siden, J. Silber, L. Simard, J. Sinclair, G. Sinev, Jaydip Singh, J. Singh, L. Singh, P. Singh, V. Singh, S. Singh Chauhan, R. Sipos, C. Sironneau, G. Sirri, K. Siyeon, K. Skarpaas, J. Smedley, J. Smith, R. S. Smith-Jones, J. Smolik, M. Smy, M. Snape, E. L. Snider, P. Snopok, M. Soares Nunes, H. Sobel, M. Soderberg, H. Sogarwal, C. J. Solano Salinas, S. Söldner-Rembold, N. Solomey, V. Solovov, W. E. Sondheim, T. Sonius, M. Sorbara, M. Sorel, J. Soto-Oton, A. Sousa, K. Soustruznik, D. Souza Correia, F. Spinella, J. Spitz, N. J. C. Spooner, D. Stalder, M. Stancari, L. Stanco, J. Steenis, R. Stein, H. M. Steiner, A. F. Steklain Lisbôa, J. Stewart, B. Stillwell, J. Stock, T. Stokes, T. Strauss, L. Strigari, A. Stuart, W. Su, A. Surdo, L. Suter, A. Sutton, Y. Suvorov, R. Svoboda, S. K. Swain, C. Sweeney, B. Szczerbinska, A. M. Szelc, A. Sztuc, A. Taffara, N. Talukdar, J. Tamara, H. A. Tanaka, S. Tang, N. Taniuchi, A. M. Tapia Casanova, A. Tapper, S. Tariq, E. Tatar, R. Tayloe, A. M. Teklu, K. Tellez Giron Flores, J. Tena Vidal, P. Tennessen, M. Tenti, K. Terao, F. Terranova, S. Teruel, G. Testera, A. Thea, S. Thomas, A. Thompson, C. Thorpe, M. Timalsina, S. C. Timm, E. Tiras, V. Tishchenko, S. Tiwari, N. Todorović, L. Tomassetti, A. Tonazzo, L. Tong, D. Torbunov, D. Torres Muñoz, M. Torti, M. Tortola, Y. Torun, N. Tosi, D. Totani, M. Toups, C. Touramanis, V. Trabattoni, D. Tran, J. Trevor, E. Triller, S. Trilov, D. Trotta, W. H. Trzaska, Y. Tsai, Y. -T. Tsai, Z. Tsamalaidze, K. V. Tsang, N. Tsverava, S. Z. Tu, S. Tufanli, C. Tunnell, S. Turnberg, J. Turner, M. Tuzi, M. Tzanov, M. A. Uchida, J. Ureña González, J. Urheim, T. Usher, H. Utaegbulam, S. Uzunyan, M. R. Vagins, P. Vahle, G. A. Valdiviesso, E. Valencia, R. Valentim, Z. Vallari, E. Vallazza, J. W. F. Valle, R. Van Berg, D. V. Forero, P. Van Gemmeren, A. Vannozzi, M. Van Nuland-Troost, F. Varanini, N. Vaughan, K. Vaziri, A. Vázquez-Ramos, J. Vega, J. Vences, S. Ventura, A. Verdugo, M. Verzocchi, J. Vesic, K. Vetter, M. Vicenzi, H. Vieira de Souza, C. Vignoli, C. Vilela, E. Villa, S. Viola, B. Viren, G. V. Stenico, R. Vizarreta, A. P. Vizcaya Hernandez, S. Vlachos, G. Vorobyev, Q. Vuong, A. V. Waldron, L. Walker, H. Wallace, M. Wallach, J. Walsh, T. Walton, L. Wan, B. Wang, J. Wang, L. Wang, M. H. L. S. Wang, X. Wang, Y. Wang, Y. Wang, D. Warner, L. Warsame, M. O. Wascko, D. Waters, A. Watson, K. Wawrowska, A. Weber, C. M. Weber, M. Weber, H. Wei, A. Weinstein, S. Westerdale, M. Wetstein, Q. Weyrich, K. Whalen, A. J. White, L. H. Whitehead, D. Whittington, F. Wieler, J. Wilhelmi, M. J. Wilking, A. Wilkinson, C. Wilkinson, R. J. Wilson, P. Winter, J. Wolcott, J. Wolfs, T. Wongjirad, A. Wood, K. Wood, E. Worcester, M. Worcester, K. Wresilo, M. Wright, M. Wrobel, S. Wu, Z. Wu, J. Wyenberg, B. M. Wynne, Y. Xiao, Z. Xie, D. Xing, B. Yaeggy, A. Yahaya, N. Yahlali, E. Yandel, G. Yang, J. Yang, T. Yang, A. Yankelevich, L. Yates, U. Yevarouskaya, K. Yonehara, T. Young, B. Yu, H. Yu, J. Yu, K. Yu, W. Yuan, R. Zaki, J. Zalesak, L. Zambelli, B. Zamorano, A. Zani, L. Zazueta, G. P. Zeller, J. Zennamo, J. Zettlemoyer, K. Zeug, C. Zhang, S. Zhang, Y. Zhang, L. Zhao, M. Zhao, K. Zhu, E. D. Zimmerman, S. Zucchelli, A. Zummo, V. Zutshi, R. Zwaska
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विशाल जलमग्न कान: DUNE "भूतिया कणों" को कैसे "सुनता" है
कल्पना कीजिए कि आप एक गरजते हुए, भारी मेटल कॉन्सर्ट के बीच में एक अकेली, नन्ही सी फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। DUNE (डीप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो एक्सपेरिमेंट) के सामने भी मूल रूप से यही चुनौती है।
DUNE तरल आर्गन (liquid argon) से भरे विशाल टैंक बना रहा है, जिन्हें ब्रह्मांडीय शोर (cosmic noise) से बचाने के लिए जमीन में बहुत गहराई में दफनाया गया है। वे न्यूट्रिनो (neutrinos) की तलाश कर रहे हैं—ऐसे उप-परमाणु कण जो इतने छोटे और "भूतिया" होते हैं कि वे एक प्रकाश वर्ष मोटी सीसे की दीवार को बिना किसी परमाणु को छुए पार कर सकते हैं। जब एक न्यूट्रिनो अंततः टैंक में एक आर्गन परमाणु से टकराता है, तो वह बिजली की एक छोटी, धुंधली सी लकीर छोड़ जाता है।
यह शोध पत्र उन "हाई-टेक सुनने वाले उपकरणों" (hearing aids) का वर्णन करता है जिन्हें उन फुसफुसाहटों को पकड़ने के लिए बनाया जा रहा है।
1. "ठंडी" इलेक्ट्रॉनिक्स: गहरे जमाव में काम करना
अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे आपका फोन या लैपटॉप) ठंड को पसंद नहीं करते। लेकिन DUNE के डिटेक्टर तरल आर्गन से भरे होते हैं, जो अविश्वसनीय रूप से ठंडा होता है—लगभग -196°C (-320°F)।
ठंडे टैंक से एक गर्म कमरे तक लंबी, शोर भरी तारें चलाने के बजाय (जो कि एक मील लंबी शोर-भरी टेलीफोन वायर के माध्यम से फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करने जैसा होगा), वैज्ञानिकों ने "सुनने वाले उपकरणों" को टंक के अंदर रखने का निर्णय लिया।
उन्होंने कस्टम माइक्रोचिप्स डिज़ाइन किए हैं जिन्हें ASICs कहा जाता है, जो एक स्थायी गहरे जमाव (deep freeze) में रहने के लिए बनाए गए हैं।
- LArASIC एक "माइक्रोफोन" है: यह न्यूट्रिनो के टकराने से उत्पन्न होने वाली सूक्ष्म विद्युत चिंगारी को पकड़ता है और उसे बढ़ाता (amplify) है।
- ColdADC एक "अनुवादक" है: यह उस कच्ची विद्युत चिंगारी को लेता है और उसे डिजिटल कोड (1s और 0s) में बदल देता है।
- COLDATA एक "संदेशवाहक" है: यह उस सभी डिजिटल जानकारी को एक साथ बांधता है और हाई-स्पीड केबलों के माध्यम से उसे टैंक से बाहर भेजता है।
उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक नाजुक बर्फ के टुकड़े (snowflake) के पिघलने को रिकॉर्ड करने की कोशिश कर रहे हैं। दूसरे कमरे में रिकॉर्डर तक एक लंबी, अनाड़ी ट्यूब चलाने के बजाय, आप एक छोटा, सूक्ष्म कैमरा सीधे फ्रीजर के अंदर बर्फ के टुकड़े के पास रख देते हैं।
2. मदरबोर्ड: तंत्रिका तंत्र (The Nervous System)
ये चिप्स केवल तैरते नहीं हैं; इन्हें फ्रंट-एंड मदरबोर्ड्स (FEMBs) पर लगाया जाता है। ये बोर्ड एक तंत्रिका तंत्र की तरह कार्य करते हैं, जो "माइक्रोफोन्स" को "संदेशवाहकों" से जोड़ते हैं।
यह शोध पत्र बताता है कि उन्होंने इलेक्ट्रॉनिक्स को बहुत अधिक गर्म हुए बिना इतनी सारी शक्ति को एक छोटे से स्थान में कैसे समाहित किया। यदि इलेक्ट्रॉनिक्स बहुत गर्म हो जाते हैं, तो वे वास्तव में तरल आर्गन को उबाल देंगे, जिससे बुलबुले बन जाएंगे जो प्रयोग को खराब कर देंगे। यह एक नाजुक संतुलन है: काम करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली रहना, लेकिन आर्गन को तरल बनाए रखने के लिए पर्याप्त "ठंडा" रहना।
3. "वार्म" इंटरफेस: कमांड सेंटर
एक बार जब सिग्नल जमे हुए टैंक से बाहर निकल जाता है, तो यह वार्म इंटरफेस बोर्ड (WIB) तक पहुँचता है। यह जमे हुए पाताल लोक और मानव दुनिया के बीच का सेतु है। यह टैंक से आने वाले डेटा के विशाल प्रवाह को लेता है और उसे व्यवस्थित करता है ताकि वैज्ञानिकों के कंप्यूटर वास्तव में इसे पढ़ सकें।
4. परीक्षण रन: ProtoDUNE-HD
अरबों डॉलर के विशाल DUNE डिटेक्टर बनाने से पहले, वैज्ञानिकों ने स्विट्जरलैंड में CERN में एक "मिनी-वर्जन" बनाया जिसे ProtoDUNE-HD कहा जाता है।
इसे एक नए जेट इंजन के टेस्ट फ्लाइट की तरह समझें। उन्होंने इस प्रोटोटाइप को सात महीने तक चलाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या इलेक्ट्रॉनिक्स टूट जाते हैं, क्या शोर बहुत अधिक है, या क्या "सुनने वाले उपकरण" ठंड में विफल हो जाते हैं।
परिणाम एक बड़ी सफलता थे:
- क्रिस्टल क्लियर सुनाई देना: अत्यधिक शोर वाले वातावरण के बावजूद, इलेक्ट्रॉनिक्स कणों की सूक्ष्म "फुसफुसाहटों" को बैकग्राउंड के शोर से अलग करने में सक्षम थे।
- विश्वसनीयता: 10,000 से अधिक चैनलों में से लगभग हर एक ने पूरी तरह से काम किया। यह एक विशाल ऑर्केस्ट्रा बनाने और फिर हर एक वाद्य यंत्र के बिल्कुल सही सुर में बजने जैसा है।
- "पावर सर्ज" की बाधा: उन्हें एक छोटी सी विचित्रता भी मिली: यदि कोई सिग्नल बहुत बड़ा है (जैसे अचानक हुई कोई चीख), तो यह अस्थायी रूप से पास के चिप्स की "बैटरी को खाली" कर सकता है, जिससे उनके पड़ोसियों में एक छोटी सी गड़बड़ी आ जाती है। यह ऐसा है जैसे भीड़ भरे कमरे में अगर कोई इतना ज़ोर से चिल्लाए कि बाकी सब एक पल के लिए अपनी सांस रोक लें। वैज्ञानिक अपने डेटा विश्लेषण में इसे ठीक करने का तरीका पहले से ही जानते हैं।
सारांश
यह शोध पत्र यह सिद्ध करता है कि हमने सफलतापूर्वक एक "सुपर-हियरिंग" प्रणाली बनाई है जो दशकों तक गहरे जमाव वाले वातावरण में जीवित रह सकती है। यह तकनीक DUNE को ब्रह्मांड के सबसे मायावी कणों को सुनने में सक्षम बनाएगी, जिससे हमें यह समझने में मदद मिलेगी कि ब्रह्मांड अस्तित्व में क्यों है।
तकनीकी सारांश: DUNE क्षैतिज ड्रिफ्ट फार डिटेक्टर चार्ज रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स का डिज़ाइन और प्रदर्शन
1. समस्या विवरण
डिप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो एक्सपेरिमेंट (DUNE) को न्यूट्रिनो ऑसिलेशन को उच्च सटीकता के साथ मापने के लिए विशाल लिक्विड आर्गन टाइम प्रोजेक्शन चैम्बर्स (LArTPCs) की आवश्यकता है। आवश्यक स्थानिक रिज़ॉल्यूशन (spatial resolution) और संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए, डिटेक्टरों को 10,000 इलेक्ट्रॉनों से कम के आयनीकरण चार्ज को हल करने में सक्षम होना चाहिए।
पारंपरिक "वार्म" इलेक्ट्रॉनिक्स (जो कमरे के तापमान पर संचालित होते हैं) ऐसे बड़े पैमाने के डिटेक्टरों में महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करते हैं, जिनमें लंबे केबलों से उच्च इनपुट कैपेसिटेंस और बढ़ा हुआ इलेक्ट्रॉनिक शोर शामिल है। जबकि "कोल्ड" इलेक्ट्रॉनिक्स (जो लिक्विड आर्गन के भीतर 87 K पर संचालित होते हैं) कम शोर और मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से कम केबलिंग प्रदान करते हैं, उन्हें असाधारण रूप से विश्वसनीय होना चाहिए, क्योंकि दशकों तक उनके प्रतिस्थापन (replacement) के लिए वे सुलभ नहीं होंगे। तकनीकी चुनौती एक कस्टम, एकीकृत और अत्यधिक स्थिर क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स श्रृंखला को डिजाइन करने की है जो वास्तविक डिटेक्टर स्थितियों के तहत बड़े पैमाने पर संचालित होने में सक्षम हो।
2. कार्यप्रणाली
यह शोध पत्र एक 3-ASIC क्रायोजनेिक रीडआउट समाधान के विकास और सत्यापन, तथा एक बड़े पैमाने के प्रोटोटाइप, ProtoDUNE-HD, में इसके एकीकरण का विवरण देता है, जो 2024 में CERN न्यूट्रिनो प्लेटफॉर्म पर संचालित हुआ था।
- इलेक्ट्रॉनिक्स चेन डिज़ाइन:
- LArASIC (एनालॉग फ्रंट-एंड): एक 16-चैनल CMOS ASIC जो चार्ज एम्प्लीफिकेशन और शेपिंग के लिए जिम्मेदार है। इसमें डायनेमिक रेंज और पीकिंग टाइम को अनुकूलित करने के लिए एडजस्टेबल गेन (gain) और पीकिंग टाइम की सुविधा है।
- ColdADC (डिजिटाइजेशन): एक 16-चैनल ASIC जो 15-स्टेज पाइपलाइन्ड आर्किटेक्चर का उपयोग करके 14-बिट डिजिटाइजेशन करता है, जिसमें क्रायोजेनिक तापमान परिवर्तनों के बावजूद रैखिकता (linearity) सुनिश्चित करने के लिए बिल्ट-इन सेल्फ-कैलिब्रेशन शामिल है।
- COLDATA (कम्युनिकेशन): एक कंट्रोल और डेटा कंसन्ट्रेशन ASIC जो डिजिटल संचार का प्रबंधन करता है, 8b10b एनकोडिंग करता है, और ट्विनएक्स (twinax) केबल्स के माध्यम से उच्च-गति ट्रांसमिशन (1.25 Gbit/s) के लिए डेटा को सीरियलाइज करता है।
- हार्डवेयर एकीकरण: ASICs को फ्रंट-एंड मदरबोर्ड्स (FEMBs) पर माउंट किया गया है, जिन्हें एनोड प्लेन असेंबली (APAs) से जुड़े धात्विक कोल्ड इलेक्ट्रॉनिक्स (CE) बॉक्स में रखा गया है। ये कस्टम सैमटेक (Samtec) केबल्स के माध्यम से वार्म इंटरफेस बोर्ड्स (WIBs) से जुड़ते हैं।
- ProtoDUNE-HD के माध्यम से सत्यापन: सिस्टम का परीक्षण 770-टन LArTPC में किया गया। शोधकर्ताओं ने आंतरिक पल्सर स्कैन (गेन, रैखिकता और क्रॉसटॉक कैलिब्रेशन के लिए) और कॉस्मिक-रे मयून डेटा (वास्तविक दुनिया के सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात मूल्यांकन के लिए) के संयोजन का उपयोग किया।
3. मुख्य योगदान
- मोनोलिथिक FEMB डिज़ाइन: मेज़ानिन-आधारित डिज़ाइन से मोनोलिथिक आर्किटेक्चर में संक्रमण, जहाँ COLDATA ASIC पिछले FPGA-आधारित दृष्टिकोण का स्थान लेता है, जिससे कोल्ड इलेक्ट्रॉनिक्स काफी सरल हो जाता है।
- उन्नत कैलिब्रेशन फ्रेमवर्क: चैनल-निर्भर इलेक्ट्रॉनिक्स विरूपण (overshoot/undershoot) को ठीक करने के लिए एक परिष्कृत पल्स-शेप फिटिंग और डीकनवोल्यूशन मॉडल विकसित किया गया, जिससे मानकीकृत गेन और पीकिंग-टाइम निष्कर्षण संभव हुआ।
- मजबूत पावर और टाइमिंग आर्किटेक्चर: लो-नॉइज़ संचालन और डिटेक्टर में वैश्विक सिंक्रोनाइज़ेशन सुनिश्चित करने के लिए क्रायोजेनिक LDOs और एक केंद्रीकृत पावर एंड टाइमिंग कार्ड (PTC) का उपयोग करके एक अत्यधिक विनियमित पावर वितरण योजना लागू की गई।
- एकीकृत निगरानी: वास्तविक समय के निदान के लिए कोल्ड वॉल्यूम से LDO वोल्टेज, तापमान और संदर्भ वोल्टेज को वार्म इलेक्ट्रॉनिक्स तक प्रसारित करने के लिए एक व्यापक एनालॉग मॉनिटरिंग पाथ प्रदान किया गया।
4. परिणाम
- विश्वसनीयता: 10,240 चैनलों में से 10,207 सामान्य रूप से कार्य कर रहे थे। केवल एक नगण्य अंश (<0.3%) को यांत्रिक समस्याओं या हाई-वोल्टेज डिस्चार्ज के कारण बाहर किया गया।
- शोर प्रदर्शन (Noise Performance): इलेक्ट्रॉनिक्स ने उत्कृष्ट शोर स्तर प्राप्त किए। ऑफलाइन सहसंबंधित शोर फ़िल्टरिंग के बाद, इंडक्शन चैनलों के लिए विशिष्ट शोर 450–600 e− ENC और कलेक्शन चैनलों के लिए 350–500 e− ENC था।
- सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (SNR): सबसे संभावित SNR क्रमशः 14 (प्रथम इंडक्शन), 17 (द्वितीय इंडक्शन), और 40 (कलेक्शन) था, जो DUNE भौतिकी आवश्यकताओं से अधिक है।
- रैखिकता और क्रॉसटॉक: सिस्टम ने उच्च रैखिकता (अधिकांश रेंज के लिए नॉन-लिनियैरिटी < 0.1%) और अत्यंत कम क्रॉसटॉक (आमतौर पर < 0.1%, ColdADC मल्टीप्लेक्सिंग आर्किटेक्चर के कारण अधिकतम ~0.3%) प्रदर्शित किया।
- सैचुरेशन व्यवहार: अध्ययन ने अत्यधिक सैचुरेशन के दौरान एक "पावर रेल सैग" प्रभाव की पहचान की, जहाँ एक चैनल में उच्च करंट सर्ज पड़ोसी चैनलों में विपरीत ध्रुवीयता (opposite-polarity) की प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकता है। हालांकि, टीम ने निर्धारित किया कि यह ऑफलाइन सॉफ्टवेयर सुधारों के माध्यम से प्रबंधनीय है।
5. महत्व
यह कार्य DUNE क्षैतिज ड्रिफ्ट फार डिटेक्टरों के लिए चार्ज रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स के सफल समापन का प्रतिनिधित्व करता है। यह सिद्ध करके कि कस्टम CMOS ASICs एक विशाल पैमाने के लिक्विड आर्गन वातावरण में विश्वसनीय रूप से और कुशलता से कार्य कर सकते हैं, DUNE सहयोग ने एक प्रमुख तकनीकी बाधा को पार कर लिया है। परिणाम प्रोटोटाइप से उत्पादन की ओर संक्रमण को मान्य करते हैं, जो न्यूट्रिनो मास ऑर्डरिंग, CP उल्लंघन और स्टैंडर्ड मॉडल से परे भौतिकी की खोज के लिए आवश्यक उच्च-फिडेलिटी डेटा अधिग्रहण क्षमताएं प्रदान करते हैं।
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