Operation and performance of ProtoDUNE Dual Phase liquid argon time projection chamber
이 논문은 전하 판독 평면의 중대한 기술적 과제에도 불구하고 고전압 전달 및 광자 검출과 같은 핵심 기술들을 성공적으로 검증하며 향후 수직 드리프트 검출기의 개선된 설계를 위한 정보를 제공한, 현재까지 구축된 가장 큰 규모의 이상(dual-phase) 액체 아르곤 시분 프로젝션 챔버인 ProtoDUNE-DP의 2019-2020 운영 및 성능에 대해 보고한다.
원저자: 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
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우주가 보이지 않는 전령인 중성미소들로 가득 차 있다고 상상해 보세요. 이 작고 유령 같은 입자들은 행성, 별, 심지어 당신의 몸까지도 통과하며 아무런 인사도 없이 빠르게 지나갑니다. 이들은 너무나 수줍음이 많아서, 이들을 잡는 것은 눈보라 속에서 맨손으로 눈송이를 잡으려는 것과 같습니다. 이들을 잡기 위해 과학자들은 거대한서, 초저온 액체 아르곤으로 채워진 깊은 지하 트랩을 만듭니다. 아르곤은 거대하고 보이지 않는 카메라 역할을 하는 귀한 가스입니다. 마침내 중성미가 아르곤 원자와 부딪히면, 그것은 아주 작은 전하의 흔적과 빛의 번쩍임을 남깁니다. 과학자들은 이 흔적을 읽음으로써 중성미가 무엇을 하고 있었는지 알아낼 수 있으며, 이는 우주가 왜 존재하는지, 그리고 어떻게 작동하는지에 대한 미스터리를 푸는 데 도움을 줍니다.
큰 과제는 이 유령들을 충분히 포착하여 연구할 수 있을 만큼 큰 검출기를 만드는 것입니다. 과학자들은 두 가지 서로 다른 방식으로 거대한 카메라를 구축하는 방법을 테스트해 왔습니다. 하나는 액체 속에서 직접 전하를 읽는 방식이고, 다른 하나는 전하를 액체 밖으로 끌어올려 가스 층에서 증폭시키는 방식, 즉 속삭임을 외침으로 바꾸는 것과 같은 방식입니다. 이 두 번째 방법인 "이중상(Dual-Phase)" 방식은 ProtoDUNE-DP라고 불리는 거대한 실험의 주인공이었습니다. 목표는 이 "속삭임을 외침으로 바꾸는" 기술이 미래의 심층 지하 중성미 실험(D3NE)을 위한 규모에서도 작동할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.
이 논문은 그 거대한 실험의 이야기를 들려줍니다. 이 실험은 지금까지 만들어진 가장 큰 이중상 액체 아르곤 검출기였습니다. 이 장치가 어떻게 작동하는지 확인하기 위해 약 1년 동안 우주선(우주에서 오는 입자)을 포착하며 운영되었습니다. 연구팀은 이 "속삭임을 외침으로 바꾸는" 시스템이 최종적인 대규모 실험 버전에는 너무 불안정하게 만들 정도의 심각한 기술적 결함이 있었지만, 여전히 놀라운 교훈을 주었다는 것을 발견했습니다. 그들은 거대한 전기 전압인 -300 kV를 검출기에 전달할 수 있다는 것을 성공적으로 입증했고, 빛 감지 시스템이 완벽하게 작동한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 전하를 증폭하기로 되어 있던 주요 전하 판독 부분은 전기 스파크와 시간이 지남에 따라 성능을 떨어뜨리는 "충전(charging-up)" 효과 때문에 계속해서 고장이 났습니다. 이러한 문제들 때문에 연구팀은 최종 DUNE 검출기를 위해 다른 설계를 사용하기로 결정했지만, 이 거대한 테스트 실행에서 얻은 지식은 차세대 중성미 트랩을 만드는 데 필수적이었습니다.
거대한 아르곤 거품의 이야기
설정: 상자 속의 얼어붙은 바다
720톤의 액체 아르곤이 담긴 거대한 스테인리스 스틸 욕조를 상상해 보세요. 하지만 물 대신 영하 186°C(87 K)로 차갑게 식힌 액체 아르곤이 채워져 있습니다. 이것이 바로 스위스 CERN에 위치한 ProtoDUNE-DP 검출기입니다. 이것은 마치 상자 안에 있는 거대한 얼어붙은 바다와 같습니다. 이 바다의 바닥에는 빛의 번쩍임을 포착하기 위해 기다리는 36개의 초민감한 눈(광전증배관)이 있습니다. 꼭대기에는 액체 표면 바로 위에 떠 있는 **전하 판독 평면(CRP)**이라는 복잡한 그물이 있습니다.
이 "이중상" 설정에서, 입자(예: 우주선 뮤온)가 액체 아르곤을 가로질러 빠르게 지나갈 때 전자들을 튕겨냅니다. 이 전자들은 마치 아주 작은, 보이지 않는 수영 선수들과 같습니다. 일반적인 액체 검출기에서는 그들을 액체 안에서 바로 잡으려고 할 것입니다. 하지만 이 이중상 설계에서는, 과학자들이 강한 전기장을 가하여 이 수영 선수들을 액체 밖으로, 그 위에 떠 있는 얇은 아르곤 가스 층으로 끌어올립니다.
마법의 기술: 속삭임을 증폭하기
전자들이 액체에서 가스로 넘어가는 보이지 않는 경계를 통과하면, 마법 같은 일이 일어납니다. 그들은 매우 강한 전기장이 있는 영역으로 들어가 가스 원자들과 충돌하며 "타운젠트 번개(Townsend avalanche)"라고 불리는 연쇄 반응을 일으킵니다. 이것은 마치 눈덩이가 언덕을 굴러 내려가며 더 많은 눈을 모아 거대한 바위가 되는 것과 같습니다. 이 경우, 단 하나의 전자가 수천 개로 증폭되어, 탐지하기 어려운 아주 작은 전하의 속삭임을 전자 장비가 쉽게 들을 수 있는 커다란 외침으로 바꿉니다. 이것이 바로 수천 개의 작은 구멍이 뚫린 회로 기판 시트와 같은 역할을 하는 **대형 전자 증폭기(LEM)**의 역할입니다.
문제점: 스파크와 끈적한 표면
논문은 아이디어는 훌륭했지만 실행 과정에서 몇 가지 난관이 있었다고 보고합니다. 검출기는 2019년 8월부터 2020년 9월까지 운영되었지만, 상당한 기술적 골칫거리에 직면했습니다.
- 고전압 단락: 검출기가 전자들을 끌어올리기 위해서는 -300,000 볼트(-300 kV)의 거대한 전기적 추진력이 필요했습니다. 팀은 이 전력을 탱크 깊숙이 전달하기 위해 특별한 케이블 시스템을 구축했습니다. 불행하게도, 이 케이블 시스템의 일부가 약 4분의 1 지점에서 단락(절연체의 누설)이 발생했습니다. 이로 인해 실험 대부분의 기간 동안 원하는 -300 kV에 도달할 수 없었습니다. 그들은 훨씬 낮은 전압으로 운영해야 했고, 이는 전자들을 꼭대기까지 끌어올리는 것을 더 어렵게 만들었지만, 그럼에도 불구하고 데이터를 수집하는 데 성공했습니다.
- 스파크가 발생하는 LEM: 신호를 증폭해야 하는 LEM들이 문제를 일으키기 시작했습니다. 그것들은 점점 더 자주 스파크(작은 전기 방전)를 일으켰습니다. 이는 마치 깜빡거리며 터지는 전구들로 가득 찬 방과 같았습니다. 시간이 흐름에 따라, 손상을 방지하기 위해 더 많은 증폭기를 끄거나 출력을 낮춰야 했습니다.
- "충전(Charging-Up)" 효과: LEM들이 스파크를 일으키지 않을 때조차도, 그것들은 "지쳤습니다." 가동되는 동안, 절연 표면에 양전하와 음전하가 쌓여 전기장을 변화시키고 증폭을 약화시켰습니다. 논문에 따르면 이 이득(gain, 신호가 증폭되는 정도)은 시간이 지남에 따라 약 2.5배 감소했습니다. 이는 마치 말을 하는 동안 서서히 볼륨이 줄어드는 마이크와 같습니다.
성공 사례: 무엇이 작동했는가
증폭기 문제에도 불구하고, 이 실험은 다른 면에서 큰 성공을 거두었습니다:
- 빛 시스템: 바닥에 있는 36개의 "눈"은 완벽하게 작동했습니다. 그것들은 입자로부터 나오는 빛의 번쩍임을 포착했으며, 서로 다른 물질(PEN 및 TPB)이 보이지 않는 빛을 카메라가 볼 수 있는 색상으로 얼마나 잘 바꾸는지 측정하는 데 도움을 주었습니다. 연구팀은 PEN 물질이 효과적임을 발견했지만, TPB 코팅이 빛을 포착하는 데 약 3배 더 뛰어나다는 것을 찾아냈습니다.
- 고전압 전달: 단락 문제가 있었음에도 불구하고, 그들은 이 정도 크기의 검출기에 -300 kV를 전달할 수 있는 시스템을 구축할 수 있음을 입증했습니다. 이는 중요한 이정표였습니다. 이는 미래의 더 큰 검출기들도 이러한 전압을 처리할 수 있음을 보여주었습니다.
- 가장 긴 드리프트(Drift): 단락 문제를 해결한 후 2021년에 진행된 후속 실행에서, 그들은 6미터의 액체 아르곤을 통해 전자를 끌어올리는 데 성공했습니다. 이것은 액체 아르곤 검출기에서 전하를 성공적으로 드리프트시킨 가장 긴 거리입니다. 이는 이 유형의 기술에서 세계 기록이었습니다.
결론: 실패가 아닌 방향 전환
논문은 LEM을 사용하는 이중상 설계가 몇 가지 훌륭한 특징(전자 장비를 쉽게 교체할 수 있는 능력 등)을 가지고 있음에도 불구하고, 스파크가 발생하는 LEM, 충전 효과, 그리고 액체 표면의 불안정성이 결합되어 최종적인 대규모 DUNE 검출기에는 너무 위험하다는 결론을 내렸습니다.
이러한 교훈 덕분에, DUNE 협력단은 계획을 변경하기로 결정했습니다. 전하를 가스로 끌어올리는 대신, 그들은 **수직 드리프트(Vertical Drift)**라고 불리는 새로운 설계를 사용할 것입니다. 이 새로운 설계는 전하를 액체 안에 유지하면서도, 까다로운 가스 증폭에 의존하지 않는 다른 종류의 판독 방식을 사용합니다. ProtoDUNE-DP에서의 경험은 매우 중요했습니다. 그것은 -300 kV 시스템이 작동함을 증축했고, 무엇을 하지 말아야 하는지를 정확히 보여주었으며, 향 만큼 앞으로 몇 년 안에 건설될 차세대 중성미 검출기를 위한 길을 닦아주었습니다. 거대한 거품은 그들이 희망했던 방식대로 중성미를 잡지는 못했지만, 미래를 위한 더 나은 트랩을 만드는 방법을 정확히 가르쳐 주었습니다.
기술 요약: ProtoDUNE 이상(Dual Phase) 액체 아르곤 시분해 프로젝션 챔버의 운용 및 성능
문제 및 동기
Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)는 중성미자 진동을 측정하고 표준 모형 너머의 물리학을 탐색하기 위해 대규모 액체 아르곤 시분해 프로젝션 챔버(LArTPC)를 필요로 한다. 단상(Single-Phase, SP) 기술은 성공적으로 입증되었으나, 이상(Dual-Phase, DP) 개념은 뚜-상한 이점을 제공했다. 즉, 프런트엔드 전자 장치를 판독 스트립 근처에 배치할 수 있어 (20년 이상의 실험 기간 동안 교체가 용이함) 그리고 PCB 기반의 전하 판독 방식(Large Electron Multipliers, 이하 LEM)을 사용하여 제조가 용이하고 채널 수를 줄일 수 있다는 점이다. 그러나 DP 기술은 킬로톤 규모에서 검증된 적이 없었다. 주요 과제는 6미터 수직 드리프트(drift)가 가능한 액체 아르곤에서의 타당성을 입증하고, 기상(gas phase)으로 이온화 전하를 추출하여 증폭하는 것과, 300톤의 활성 질량 검출기를 운용하는 데 필요한 고전압(HV) 시스템의 안정성을 입증하는 것이었다.
방법론
본 논문은 CERN Neutrino Platform에 위치한, 역대 최대 규모의 DP LArTPC인 ProtoDUNE-DP의 구축, 시운전 및 운용에 대해 상세히 기술한다. 이 검출기는 6 × 6 × 6 m³의 활성 부피(활성 질량 300 t, 총 질량 720 t)와 수직 드리프트 전계를 특징으로 한다. 주요 방법론적 구성 요소는 다음과 같다:
- 검출기 구조: TPC는 -300 kV의 음극(cathode)을 사용하여 0.5 kV/cm의 드리프트 전계를 생성한다. 이온화된 전자들은 수직으로 이동하여 액체 표면으로 드리프트되며, 기체 아르곤 층으로 추출되어 증폭된다. 증폭된 전하는 4개의 3 × 3 m² 전하 판독 평면(CRP)에 배열된 36개의 LEM에 의해 증폭된다. 증폭된 전하는 신호 피드스루 굴뚝(signal feedthrough chimneys)에 위치한 극저온 프런트엔드 보드(FEB)에 의해 판독되는 애노드 스트립에 의해 수집된다.
- 광자 검출 시스템 (PDS): 36개의 Hamamatsu R5912-20Mod PMT가 크라이오스탯 바닥에 설치되었다. 127 nm VUV 신틸레이션 광을 가시광선 영역으로 이동시키기 위해, 30개의 PMT는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 박막으로 덮였고, 6개는 테트라페닐 부타디엔(TPB)으로 코팅되었다.
- 계측 장비: 시스템에는 뮤온 트리거를 위한 우주선 태거(CRT), 전자 수명 측정을 위한 순도 모니터, 액체 레벨과 표면을 시각적으로 모니터링하기 위한 극저온 카메라가 포함되었다.
- 운용 단계: 검출기는 2019년 8월부터 2020년 9월까지 우주선 뮤온을 사용하여 운용되었다. 전체 시간 중 상당 부분은 고전압 시스템의 시운전에 할애되었는데, 이 시스템은 HV 익스텐더(extender)의 단락으로 인한 치명적인 결함이 발생하여 부분적인 비우기와 수리가 필요했다. 두 번째 운용 단계는 2021~2022년에 재설계된 HV 익스텐더와 함께 진행되었으며, 이를 통해 완전한 6미터 드리프트 운용이 가능했으나, 이 단계에서는 CRP의 아주 작은 부분(CRP4)만이 전하 수집을 위해 계측되었다.
주요 기여 및 결과
- 고전압 공급: 본 논문은 DUNE의 핵심 이정표인 -300 kV의 음극 전압 전달 성공을 보고한다. 초기 HV 익스텐더 설계의 결함(내부 도체와 디그레이더 링 사이의 단락에 의한 것) 이후, 액체 아르곤 자체의 유전적 강성에 의존하는 재설계된 익스텐더가 구현되었다. 이 새로운 시스템은 명목상의 -300 kV에서 성공적으로 작동하여, 액체 귀가스 TPC 역사상 가장 긴 6미터 드리프트 거리를 가능하게 했다.
- 전하 판독 성능:
- LEM 안정성: 연구 결과, 일부 LEM에서의 지속적인 방전(스파킹)이 CRP의 장기 운용을 저해한다는 것을 확인하였으며, 이는 제조 결함(중심이 맞지 않는 가장자리 및 구리 잔류물)과 액체 표면의 난류에 기인한다.
- 유효 이득(Effective Gain): LEM 전압 차이가 3.2 kV일 때 최대 유효 이득은 Geff=6.8±0.03이었다. 그러나 절연 표면에 전하가 축적되어 LEM 홀 내부의 전기장을 감소시키는 "차징 업(charging-up)" 효과로 인해 시간이 지남에 따라 이득이 감소했다. 마지막 데이터 수집 기간에 최대 이득은 1.5±0.09로 떨어졌다.
- 투과율(Transparency): CRP 투과율은 T=0.252±0.011로 측정되었으며, 이는 시뮬레이션 결과와 일치한다.
- 드리프트 및 순도: 전자 수명은 수 밀리초 범위 내에서 측정되었으며, 이는 순도 모니터의 측정값과 일치하며 약 4 ms까지의 드리프트 시간을 허용한다.
- 광자 검출 시스템 (PDS):
- 타이밍: PMT 간의 상대적 타이밍 정확도는 16 ns(샘플링 주파수) 미만으로 측정되었으며, 이는 초신성 폭발 트리거 및 양성자 붕괴 탐색을 위한 설계를 검증한다.
- 파장 변환: 본 논문은 PEN 박막 효율에 대한 첫 대규모 측정 결과를 제시한다. PEN 박막은 TPB 코팅보다 효율이 낮은 것으로 나타났으며, 상대적 효율 비율은 ϵPEN/ϵTPB=0.33±0.05였다.
- 광량(Light Yield): 드리프트 전계(0.5 kV/cm)에 의한 신틸레이션 광(S1)의 감소는 0.62 배로 측정되었으며, 이는 문헌과 일치한다.
- SPE 비율: 단상(Single-Phase) 검출기의 예상과는 달리, 특정 테스트 기간 동안 추출 전계가 없는 상태에서 활성 부피 상단의 전자 재결합으로 인해 단일 광전자(SPE) 비율이 증가하였다.
의의 및 결론
본 논문은 ProtoDUNE-DP가 -300 kV 전달과 6미터 수직 드리프트 운용을 성공적으로 입증했음에도 불구하고, 이상(Dual-Phase) 기술이 LEM의 장기적 안정성 및 추출 그리드의 액체 표면 난류에 대한 민감도 문제로 인해 상당한 어려움에 직면했음을 결론짓는다. 이러한 문제들과 더불어 LEM의 급격한 성능 저하는 DUNE 협의회가 최종 원거리 검출기(Far Detector) 모듈을 위해 DP 설계를 추진하지 않기로 결정하는 배경이 되었다.
그러나 얻어진 경험은 매우 중요했다. -300 kV 고전압 시스템과 6미터 드리프트 능력의 성공적인 검증은 수직 드리프트(Vertical Drift, VD) 기술 설계에 직접적인 영향을 미쳤으며, 이 기술은 DUNE의 첫 번째 원거리 검출기 모듈에 채택되었다. VD 설계는 PCB 기반 판독 방식과 수직 드리프트의 이점은 유지하면서도, 추출 그리드와 LEM을 제거하고 액체 내에서 직접 천공된 애노드를 작동시킴으로써 ProtoDUNE-DP에서 겪었던 주요 불안정성 요인을 제거하였다. 본 논문은 ProtoDUNE-DP가 차세대 대규모 LArTPC에 필요한 고전압 인프라 및 드리프트 메커니즘에 대한 필수적인 엔지니어링 검증을 제공했다고 주장한다.
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