Operation and performance of ProtoDUNE Dual Phase liquid argon time projection chamber
本論文は、現在までに構築された中で最大の二相式液体アルゴン時投影型チェンバーであるProtoDUNE-DPの2019年から2020年にかけての運用と性能について報告するものであり、電荷読み出し面に関する重大な技術的課題にもかかわらず、高電圧供給や光子検出といった主要技術の検証に成功し、最終的に将来の垂直ドリフト型検出器の改良された設計に資する知見をもたらした。
原著者: 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, R. Bajou, S. Balasubramanian, A. Balboni, P. Baldi, W. Baldini, 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, A. Blake, A. Blanchet, F. D. Blaszczyk, G. C. Blazey, E. Blucher, A. Bodek, B. Bogart, J. Boissevain, 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, 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, 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, S. Dos Santos Moreira, 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, G. Eurin, 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, F. Gardim, S. Gardiner, P. Gauzzi, G. Ge, N. Geffroy, B. Gelli, S. Gent, A. Ghosh, 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, 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, K. Hildebrandt, A. Himmel, E. Hinkle, L. R. Hirsch, J. Ho, J. Hoefken Zink, 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, P. Kunzé, 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, L. F. B. Magalhães Rodrigues, 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, 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, N. Noroozi, A. Norrick, F. Noto, P. Novella, A. Nowak, J. A. Nowak, M. Oberling, J. P. Ochoa-Ricoux, S. Oh, S. B. Oh, L. Olaya-Quemba, A. Olivier, T. Olson, Y. Onel, 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, 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 Paixao, M. Pozzato, R. Pradhan, L. Prais, T. Prakash, M. Prest, 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, 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, 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, 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, D. Torbunov, D. Torres Muñoz, M. Torti, M. Tortola, Y. Torun, N. Tosi, D. Totani, M. Toups, C. Touramanis, V. Trabattoni, D. Tran, P. Trevarrow, 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, J. Ureña González, J. Urheim, T. Usher, H. Utaegbulam, S. Uzunyan, M. R. Vagins, P. Vahle, G. A. Valdiviesso, E. Valencia, R. Valentim da Costa Lima, 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, X. 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
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。 免責事項の全文を読む
宇宙は、ニュートリノと呼ばれる目に見えないメッセンジャーで満たされていると想像してみてください。これらは、非常に小さく、幽霊のような粒子であり、惑星や星、さらにはあなたの体さえも通り抜けて突き進みます。彼らは非常に内気なので、捕まえようとするのは、吹雪の中で素手で雪の結晶を掴もうとするようなものです。彼らを捕まえるために、科学者たちは、超低温の液体アルゴンを満たした、巨大で地下深くにあるトラップを建設しています。アルゴンは、巨大で目に見えないカメラのように機能する高貴なガスです。ニュートリノがようやくアルゴンの原子に衝突すると、微かな電気的な電荷の跡と光の閃光を残します。科学者たちはこれらの跡を読み取ることで、そのニュートリノが何をしていたのかを突き止めることができ、それが宇宙がなぜ存在し、どのように機能しているのかという謎を解く助けとなります。
大きな課題は、これらの幽霊を研究するのに十分な数を捕まえられるほど大きな検出器を建設することです。科学者たちは、電荷を液体中で直接読み取る方法と、電荷を液体からガス層へと引き出し、増幅させる(まるで囁き声を叫び声に変えるように)もう一つの方法の、二つの異なる方法をテストしてきました。この「デュアルフェーズ(二相)」と呼ばれる第二の方法は、ProtoDUNE-DPと呼ばれる大規模な実験において主役となりました。目標は、この「囁きを叫びに変える」トリックが、将来のDeep Underground Neutrino Experiment(DUNE)に向けた規模でも機能するかどうかを確認することでした。
この論文は、その巨大な実験の物語を伝えています。これは、これまでに作られた中で最大のデュアルフェーズ液体アルゴン検出器でした。それは約1年間稼働し、機械がどのように機能するかを確認するために宇宙線(宇宙からの粒子)を捕らえました。チームは、この「囁きを叫びに変える」システムには深刻な技術的欠陥があり、最終的な大規模バージョンの実験には不安定すぎることが判明しましたが、それでもなお、驚くべき教訓を得ることができました。彼らは、検出器に -300 kV という巨大な電圧を送り込むことができることと、光センサーシステムが完璧に機能したことを証明することに成功しました。しかし、信号を増幅するはずだった主要な電荷読み取り部分が、電気的な火花と、時間の経過とともに性能を鈍らせる「チャージアップ(帯電)」効果によって、何度も故障しました。これらの問題により、チームは最終的なDUNE検出器に対して異なる設計への変更を決定しましたが、この巨大なテスト走行から得られた知識は、次世代のニュートリノ・トラップを構築するために不可欠なものでした。
巨大なアルゴンの泡の物語
セットアップ:箱の中の凍った海
720トンの液体アルゴンが、マイナス186℃(87 K)に冷やされて入っている、巨大なステンレス製の浴槽を想像してみてください。これが、スイスのCERNに設置された ProtoDUNE-DP 検出器です。それは、箱の中にある巨大な凍った海のようです。この海の底には、光の閃光を捉えるために待機している36個の超高感度な「目」(光電子増倍管)があります。そして上部には、液体の表面のすぐ上に浮かぶ、**電荷読み取り面(CRP)**と呼ばれる複雑なネットがあります。
この「デュアルフェーズ」のセットアップでは、粒子(宇宙線ミューオンなど)が液体アルゴンを突き抜けるとき、電子を叩き出します。これらの電子は、目に見えない小さな泳ぎ手のようなものです。通常の液体検出器では、それらの電子を水の中で直接捕まえようとします。しかし、このデュアルフェーズ設計では、科学者が強い電場をかけることで、これらの泳ぎ手を液体から「上」へ、そして液体の上の薄いアルゴンガスの層へと引き上げます。
魔法のトリック:囁きを増幅する
電子が液体からガスへと至る目に見えない境界線を越えると、魔法のようなことが起こります。電子は非常に強い電場がある領域に入り、ガス原子に衝突して、「タウンゼント降雪(アバランチ)」と呼ばれる連鎖反応を引き起こします。これは、雪玉が丘を転がり落ちながら、より多くの雪を拾い集めて巨大な岩塊へと成長していく様子に似ています。この場合、たった一つの電子が数千倍に増殖し、検出しにくい微かな電荷の「囁き」を、電子機器が容易に聞き取れる大きな「叫び声」へと変えるのです。これが、数千の小さな穴が開いた回路基板のシートのようなものである、**大型電子増幅器(LEM)**の役割です。
問題点:火花と粘着する表面
論文によれば、アイデア自体は素晴らしかったものの、実行段階ではいくつかの困難がありました。検出器は2019年8月から2020年9月まで稼働しましたが、重大な技術的トラブルに直面しました。
- 高電圧のショート: 検出器は、電子を引き上げるために -300,000 ボルト(300 kV)という巨大な電気的な押し上げを必要としていました。チームは、この電力をタンクの奥深くまで届けるための特別なケーブルシステムを構築しました。あいにく、このケーブルシステムの一部が、上部から4分の1ほどの位置で短絡(絶縁体の漏れ)を起こしました。これにより、実験の大部分において、目標としていた -300 kV に到達することができませんでした。より低い電圧で運用せざるを得ず、電子を完全に上まで引き上げるのが難しくなりましたが、それでもデータの収集は行われました。
- 火花を散らすLEM: 信号を増幅するはずのLEMが、不調をきたし始めました。これらは(微細な電気放電による)火花を頻繁に散らすようになりました。それはまるで、部屋中の電球がチカチカと点滅したり、パチパチと弾けたりしているような状態でした。時間の経過とともに、損傷を防ぐために、より多くの増幅器の出力を下げるか、停止させなければならなくなりました。
- 「チャージアップ(帯電)」効果: LEMが火花を散らしていない時でさえ、それらは「疲れて」いきました。稼働が進むにつれ、穴の内部の絶縁表面に正と負の電荷が蓄積し、電場を変化させて増幅を弱めてしまいました。論文によると、ゲイン(信号の増幅率)は時間の経過とともに約2.5倍減少しました。これは、長く話し続けているうちに、マイクの音量が徐々に小さくなっていくようなものです。
成功:何がうまくいったのか
増幅器の問題にもかかわらず、この実験は他の面で大きな成功を収めました。
- 光システム: 底にある36個の「目」は完璧に機能しました。それらは粒子からの光の閃光を捉え、異なる材料(PENおよびTPB)が、目に見えない光をカメラが見える色へとどのように変化させるかを測定することにも貢献しました。彼らは、PEN素材が機能することを発見しましたが、TPBコーティングの方が光を捉える能力が約3倍優れていることも突き止めました。
- 高電圧の供給: ショートが発生したものの、このサイズの検出器に -300 kV を送り込むシステムを構築できることを証明しました。これは極めて重要な節目となりました。これにより、将来のさらに大規模な検出器が、このような電圧を扱えることが示されました。
- 最長のドリフト: その後の2021年の稼働では、ショート回路を修正した後、6メートルの液体アルゴンを通り抜けて電子を引き上げることに成功しました。これは、液体アルゴン検出器において、誰かが電荷をドリフトさせることに成功した中で最も長い距離です。これは、この種の技術における世界記録でした。
結論:失敗ではなく、方向転換
論文は、デュアルフェーズ設計(LEMを用いたもの)には優れた特徴(電子機器を簡単に交換できることなど)がある一方で、火花を散らすLEM、チャージアップ効果、そして液面不安定性の組み合わせが、最終的な大規模DUNE検出器にとってはリスクが高すぎると結論付けています。
これらの教訓に基づき、DUNEコラボレーションは計画を変更することを決定しました。電荷をガス中へと引き出す代わりに、「バーティカル・ドリフト(垂直ドリフト)」と呼ばれる新しい設計を採用します。この新しい設計は、電荷を液体のまま保持し、トリッキーなガス増幅に頼らない別の種類の読み取り方式を使用します。ProtoDUNE-DPでの経験は不可欠なものでした。それは -300 kV のシステムが機能することを証明し、同時に「何をすべきではないか」を明確に示したことで、今後数年間にわたって建設される次世代のニュートリノ検出器への道を切り開いたのです。巨大な泡は、期待通りにニュートリノを捕らえることはできませんでしたが、未来のためにより優れた罠をどのように作るべきかを、私たちに教えてくれました。
技術要約:ProtoDUNE Dual Phase 液体アルゴン時間投影室の運用と性能
問題と動機
Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) は、ニュートリノ振動の測定および標準模型を超える物理の探索のために、大規模な液体アルゴン時間投影室 (LArTPC) を必要としている。Single-Phase (SP) 技術は成功裏に実証されたが、Dual-Phase (DP) コンセプトは明確な利点を提供していた。それは、フロントエンド電子機器をリードアウト・ストリップの近くに配置できる能力(20年以上にわたる実験における交換を容易にするため)と、製造が容易でチャンネル数が少ないPCBベースの電荷リードアウト(Large Electron Multipliers、すなわちLEM)の使用である。しかし、DP技術はキロトン規模での検証はされていなかった。主要な課題は、6メートルの垂直ドリフト、ガス相への電離電荷の抽出、および300トンの活動質量を持つ検出器の運用に必要な高電圧 (HV) システムの安定性を実証することであった。
手法
本論文は、CERN Neutrino Platformに設置された、これまでで最大のDP LArTPCであるProtoDUNE-DPの建設、コミッショニング、および運用について詳述している。検出器は 6 × 6 × 6 m³ の活動体積(活動質量300 t、総質量720 t)を備え、垂直方向のドリフト場を有している。主要な手法構成要素は以下の通りである:
- 検出器アーキテクチャ: TPCは、-300 kV のカソードを用いて 0.5 kV/cm のドリフト場を生成した。電離電子は垂直方向に液体表面へとドリフトし、ガスのアルゴン層へと抽出され、4つの 3 × 3 m² の電荷リードアウト平面 (CRP) に配置された36個の Large Electron Multipliers (LEM) によって増幅される。増幅された電荷は、信号フィードスルー・チムニー内に収容された極低温フロントエンド基板 (FEB) によって収集されるアンード・ストリップによって収集される。
- 光子検出システム (PDS): 36個の Hamamatsu R5912-20Mod PMT がクライオスタットの床に設置された。127 nm の VUV シンチレーション光を可視領域にシフトするために、30個のPMT は Polyethylene Naphthalate (PEN) フォイルで覆われ、6個は Tetraphenyl Butadiene (TPB) でコーティングされた。
- 計装: システムには、ミューオン・トリガー用の宇宙線テッガー (CRT)、電子寿命の測定用の純度モニター、および液面と表面を視覚的に監視するための極低温カメラが含まれている。
- 運用フェーズ: 検出器は2019年8月から2020年9月まで、宇宙線ミューオンを用いて運用された。運用時間の大部分は、致命的な故障(HVエクステンダー内のショート)に見舞われたHVシステムのコミッショニングに費やされ、その結果、部分的な空け作業と修理が必要となった。2021年から2022年にかけて、設計変更されたHVエクテンダーを用いて第2の運用フェーズが行われ、フル6メートルドリフトの運用が可能となったが、このフェーズでは電荷収集のために CRP のごく一部 (CRP4) のみが計装されていた。
主要な貢献と結果
- 高電圧供給: 本論文は、DUNEにとって重要なマイルストーンである、カソードへの -300 kV の供給成功を報告している。初期のHVエクステンダー設計における故障(内部導体とデグレーダーリング間のショートによるもの)を受けて、液体アルゴンの誘電剛性に依拠した再設計されたエクステンダーが実装された。この新しいシステムは、公称の -300 kV での動作に成功し、6メートルのドリフト距離(液体希ガスTPCとしては史上最長)を可能にした。
- 電荷リードアウト性能:
- LEMの安定性: 研究により、一部のLEMにおける連続的な放電(スパーク)が、製造上の欠陥(偏ったリムや銅の残留物)および液体表面の乱流に起因して、CRPの長期運用を妨げていることが特定された。
- 有効利得: LEMの電圧差が 3.2 kV のとき、最大有効利得は Geff=6.8±0.03 であった。しかし、絶縁表面への電荷蓄積によってLEM内の電界が減少する「チャージアップ」効果により、利得は時間の経過とともに減少した。最終的なデータ取得期間までに、最大利得は 1.5±0.09 まで低下した。
- 透過率: CRPの透過率は T=0.252±0.011 と測定され、シミュレーションと一致した。
- ドリフトと純度: 電子寿命は数ミリ秒の範囲内であると測定され、これは純度モニターの読み取り値と一致しており、約 4 ms までのドリフト時間を可能にした。
- 光子検出システム (PDS):
- タイミング: PMT 間の相対的なタイミング精度は 16 ns(サンプリング周波数)未満であることが測定され、超新星爆発トリガーや陽子崩壊探索のための設計が妥当であることを検証した。
- 波長シフト: 本論文は、PEN フォイルの効率に関する初の大規模な測定結果を提示している。PEN フォイルは TPB コーティングよりも効率が低いことが判明し、相対効率比は ϵPEN/ϵTPB=0.33±0.05 であった。
- 光量: ドリフト場 (0.5 kV/cm) によるシンチレーション光 (S1) の減少は、係数 0.62 であり、文献値と一致した。
- SPE 率: Single-Phase 検出器からの予想とは異なり、ドリフト場を起動すると Single Photoelectron (SPE) 率が増加した。これは、特定のテスト期間中に抽出電界が存在しない状態で、活動体積の上部で電子の再結合が起こったためと考えられる。
意義と結論
本論文は、ProtoDUNE-DP が -300 kV の供給と 6 メートルの垂直ドリフトの運用を成功裏に実証した一方で、Dual-Phase 技術は、LEM の長期的な安定性と抽出グリッドの液体表面の乱流に対する感度に関して重大な課題に直面したと結論付けている。これらの問題、および LEM の急速な劣化は、DUNE コラボレーションが最終的な遠方検出器モジュールに向けて DP 設計の追求を見送る決定を下す要因となった。
しかし、得られた経験は極めて重要であった。-300 kV の HV システムの検証と 6 メートルのドリフト能力の成功は、垂直ドリフト (Vertical Drift, VD) 技術の設計に直接的な影響を与え、それが最初の DUNE 遠方検出器モジュールに採用された。VD 設計は、PCB ベースのリードアウトと垂直ドリフトの利点を維持しつつ、穿孔されたアノードを液体中で直接動作させることで抽出グリッドと LEM を排除しており、これにより ProtoDUNE-DP で遭遇した主な不安定性の原因を取り除いている。本論文は、ProtoDUNE-DP が次世代の大規模 LArTPC に必要な高電圧インフラストラクチャとドリフトメカニクスの不可欠なエンジニアリング検証を提供したと主張している。
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