Operation and performance of ProtoDUNE Dual Phase liquid argon time projection chamber
本文报告了 ProtoDUNE-DP 在 2019–2020 年间的运行与性能情况,该装置是迄今为止建造的最大型双相液氩时间投影室,尽管其电荷读取平面面临重大的技术挑战,但它成功验证了高压传输和光子探测等关键技术,并最终为未来垂直漂移探测器的改进设计提供了参考。
原作者: 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
原始论文采用 CC BY 4.0 许可(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性,请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下,宇宙中充满了被称为“中微子”的隐形信使。这些微小的、幽灵般的粒子穿梭于一切之中——行星、恒星,甚至你的身体——却从不打个招呼。它们是如此害羞,捕捉它们就像在暴风雪中试图用赤手去抓一片雪花。为了捕捉它们,科学家们建造了巨大的、深埋地下的陷阱,里面充满了超冷的液态氩——这是一种贵族气体,充当着一个巨大的、隐形的照相机。当一个中微子终于撞上一个氩原子时,它会留下微小的电荷痕迹和一道闪光。通过读取这些痕迹,科学家可以弄清楚中微子在做什么,这有助于他们解开关于宇宙为何存在以及它是如何运作的谜团。
面临的大挑战是建造足够大的探测器,以捕捉足够的这些“幽灵”来进行研究。科学家们一直在测试两种不同的构建这种巨大照相机的方法:一种是在液体中直接读取电荷,另一种是将电荷从液体中拉入气层进行放大,就像把“耳语”变成“呐喊”。第二种方法被称为“双相法”(Dual-Phase),它是名为 ProtoDUNE-DP 的大规模实验中的明星。该实验的目标是观察这种“耳语变呐喊”的技巧是否能在未来深地中微子实验(DUNE)所需的规模上发挥作用。
这篇论文讲述了那个巨大实验的故事,它是史上最大的双相液氩探测器。它运行了大约一年时间,通过捕捉宇宙射线(来自太空的粒子)来观察机器的表现。团队发现,虽然这种“耳语变呐喊”系统存在一些严重的工程故障,使其对于最终的大型实验版本来说过于不稳定,但它仍然提供了极其宝贵的教训。他们成功证明了自己能够为探测器提供高达 -300 kV 的巨大电压,并且其光探测系统运行完美。然而,作为主要电荷读取部分的放大器部分,由于电火花和一种使性能随时间减弱的“充电效应”,不断出现故障。由于这些问题,团队决定为最终的 DUNE 探测器更换一种不同的设计,但这次大规模测试所获得的知识对于构建下一代中微子陷阱至关重要。
巨型氩气泡的故事
设置:箱中的冰冻海洋
想象一个巨大的不锈钢浴缸,但里面装的不是水,而是 720 吨被冷却至极寒 -186°C (87 K) 的液态氩。这就是位于瑞士欧洲核子研究中心(CERN)的 ProtoDUNE-DP 探测器。它就像一个装在盒子里的巨大冰冻海洋。在这个海洋的底部,有 36 只超灵敏的“眼睛”(光电倍增管),等待着捕捉任何闪光。而在顶部,就在液体表面上方飘浮着,是一个被称为**电荷读取平面(CRP)**的复杂网络。
在这种“双相”设置中,当一个粒子(如宇宙射线μ子)穿过液态氩时,它会撞出电子。这些电子就像微小的、隐形的游泳者。在普通的液体探测器中,你会尝试直接在水中捕捉它们。但在这种双相设计中,科学家施加一个强大的电场,将这些“游泳者”向上拉出液体,进入漂浮在液体上方的一层薄薄的氩气层。
魔术技巧:放大耳语
一旦电子跨越了液体到气体的隐形边界,神奇的事情就发生了。它们进入了一个拥有极强电场的区域,在那里它们会撞击气体原子,产生一种被称为“汤森雪崩”(Townsend avalanche)的链式反应。这就像一个雪球滚下山坡,不断收集更多的雪,直到变成一个巨大的巨石。在这种情况下,单个电子可以倍增为数千个,将微弱、难以检测的电荷“耳语”转化为电子设备可以轻松听到的响亮“呐喊”。这就是**大电子倍增器(LEMs)**的工作,它们像是带有成千上万个微小孔洞的电路板薄片。
问题:火花与粘性表面
论文报告称,虽然这个想法很精妙,但执行过程中遇到了不少坎坷。探测器从 2019 年 8 月运行到 2020 年 9 月,期间面临了显著的技术难题。
- 高压短路: 探测器需要高达 -300,000 伏特(300 kV)的巨大电推力来将电子向上拉。团队建造了一个特殊的电缆系统,将这种动力输送到深埋在罐体内的位置。不幸的是,该电缆系统的一部分在约四分之一高度处出现了短路(绝缘层泄漏)。这意味着在实验的大部分时间里,他们无法达到预期的 -300 kV 电压。他们不得不以较低的电压运行,这使得将电子拉向顶部的难度增加,但他们仍设法收集到了数据。
- 产生火花的 LEMs: 本应起到放大信号作用的 LEMs 开始出问题了。它们开始频繁地产生电火花(微小的放电现象)。这就像是一个房间里的灯泡不断闪烁并爆裂。随着时间的推移,越来越多的放大器不得不被调低或关闭,以防止损坏。
- “充电效应”: 即使在 LEMs 没有产生火花时,它们也会变得“疲劳”。随着运行时间的增加,正电荷和负电荷会在孔洞内部的绝缘表面上堆积,从而改变电场,使放大效果减弱。论文发现,增益(即信号被放大的程度)随时间下降了约 2.5 倍。这就像一个麦克风在你说话时,声音会随着时间推移而逐渐变小。
成功之处:哪些部分奏效了
尽管放大器出了问题,但该实验在其他方面取得了巨大成功:
- 光探测系统: 底部的 36 只“眼睛”工作完美。它们捕捉到了粒子的闪光,甚至帮助测量了不同材料(称为 PEN 和 TPB)将不可见光转换为相机可见光的效率。他们发现 PEN 材料有效,但 TPB 涂层在捕捉光线方面的表现要好上三倍左右。
- 高压输送: 尽管存在短路问题,他们证明了自己可以建造一个向如此规模的探测器输送 -300 kV 电压的系统。这是一个关键的里程碑,表明未来的、规模更大的探测器也能承受这种电压。
- 最长漂移距离: 在 2021 年的一次后期运行中,在修复了短路问题后,他们成功地将电子从 6 米深的液态氩中向上拉升。这是人类历史上首次在液态氩探测器中成功实现如此长距离的电荷漂移。这创造了此类技术的世界纪录。
结论:转向而非失败
论文总结道,虽然带有 LEMs 的双相设计具有一些优点(例如可以轻松更换电子元件),但由于 LEMs 产生的火花、充电效应以及液体表面不稳定的综合影响,这对于最终的巨大 DUNE 探测器来说风险过高。
基于这些教训,DUNE 合作组决定改变计划。他们不再将电荷拉入气体中,而是采用一种名为**垂直漂移(Vertical Drift)**的新设计。这种新设计将电荷保留在液体中,但使用了一种不同的读取方式,不再依赖复杂的气体放大技术。来自 ProtoDUNE-DP 的经验至关重要;它证明了 -300 kV 系统是可行的,并明确指出了哪些做法是行不通的,从而为未来几年即将建造的新一代中微子探测器铺平了道路。这个巨大的气泡虽然没有按预期方式捕捉到中微子,但它教会了人们如何建造更好的未来陷阱。
技术摘要:ProtoDUNE 双相液氩时间投影室的运行与性能
问题与动机
深层中微子实验(DUNE)需要大规模液氩时间投影室(LArTPC)来测量中微子振荡并寻找超越标准模型的新物理。虽然单相(SP)技术已得到成功验证,但双相(DP)概念提供了明显的优势:能够将前端电子设备放置在靠近读取条的位置(便于在长达 20 年以上的实验中进行更换),以及使用基于 PCB 的电荷读取技术(大电子倍增器,即 LEMs),从而实现更简便的制造和更低的通道数。然而,双相技术尚未在千吨级规模上得到验证。主要挑战在于证明在液氩中进行 6 米垂直漂移、将电离电荷提取到气相进行放大以及运行 300 吨有效质量探测器所需的超高压(HV)系统稳定性的可行性。
方法论
本文详细介绍了 ProtoDUNE-DP 的建造、调试与运行过程。该探测器位于 CERN 中微子平台,是迄今为止建造的最大型双相 LArTPC。其特征是具有 6 × 6 × 6 m³ 的有效体积(300 吨有效质量,720 吨总质量),采用垂直漂移场。关键方法组成部分包括:
- 探测器架构: 该 TPC 利用位于 -300 kV 的阴极来产生 0.5 kV/cm 的漂移场。电离电子垂直漂移至液态氩表面,被提取到气态氩层中,并通过布置在四个 3 × 3 m² 电荷读取平面(CRP)中的 36 个大电子倍增器(LEM)进行放大。放大后的电荷由安置在信号馈通烟囱中的低温前端板(FEB)上的阳极条收集。
- 光子检测系统 (PDS): 36 个 Hamamatsu R5912-20Mod 光电倍增管(PMT)安装在低温恒温器底部。为了将 127 nm 的 VUV 闪烁光转换为可见光范围,30 个 PMT 被聚乙烯萘(PEN)箔覆盖,另有 6 个涂有四苯基丁二烯(TPB)。
- 仪表化: 系统包括用于μ子触发的宇宙线标签器(CRT)、用于测量电子寿命的纯度监测器,以及用于视觉监控液面和表面的低温摄像机。
- 运行阶段: 探测器于 2019 年 8 月至 2020 年 9 月期间利用宇宙线μ子进行运行。其中很大一部分时间用于调试高压系统,该系统曾遭遇严重故障(高压扩展器短路),导致需要部分排空并维修。第二个运行阶段发生在 2021–2022 年,采用了重新设计的扩展器,实现了完整的 6 米漂移运行,尽管在此阶段仅有极小部分的 CRP(CRP4)用于电荷收集。
主要贡献与结果
- 高压输送: 本文报告了成功向阴极输送 -300 kV 电压,这是 DUNE 的一个关键里程碑。由于初始高压扩展器设计失效(由内导体与降解环之间的短路引起),随后实施了依赖于液氩自身介电刚性的重新设计扩展器。这个新系统成功运行在标称的 -300 kV,实现了 6 米的漂移距离——这是液态惰性气体 TPC 史上实现的史上最长漂移距离。
- 电荷读取性能:
- LEM 稳定性: 研究发现,部分 LEM 的长期运行受到持续放电(火花放电)的阻碍,这归因于制造缺陷(中心偏移的边缘和铜残留物)以及液面湍流。
- 有效增益: 在 LEM 电压差为 3.2 kV 时,测得的最大有效增益为 Geff=6.8±0.03。然而,增益随时间下降,这是由于“充电效应”(charging-up effect),即绝缘表面上的电荷积累降低了 LEM 孔内的电场。到最后一个数据采集期,最大增益降至 1.5±0.09。
- 透明度: CRP 的透明度测量值为 T=0.252±0.011,与模拟结果一致。
- 漂移与纯度: 电子寿命测量值在数毫秒范围内,与纯度监测器读数一致,允许高达 ~4 ms 的漂移时间。
- 光子检测系统 (PDS):
- 定时: PMT 之间的相对定时精度测量值低于 16 ns(采样频率),验证了其在超新星爆发触发和质子衰变搜索方面的设计。
- 波长转换: 本文展示了首次大规模的 PEN 箔效率测量。研究发现 PEN 箔的效率低于 TPB 涂层,其相对效率比为 ϵPEN/ϵTPB=0.33±0.05。
- 光产额: 测量出由于漂移场(0.5 kV/cm)导致的闪烁光(S1)减少因子为 0.62,与文献一致。
- 单光电子 (SPE) 率: 与单相探测器的预期相反,在激活漂移场后 SPE 率有所上升,这可能是由于在特定测试期间,由于缺乏提取场,电荷在有效体积顶部发生了复合。
意义与结论
论文得出结论,尽管 ProtoDUNE-DP 成功演示了 -300 kV 的输送和 6 米垂直漂移的操作,但双相技术在 LEM 的长期稳定性和提取网格对液面湍流的敏感性方面面临重大挑战。这些问题,结合 LEM 的快速退化,导致 DUNE 合作组决定不对最终的远探测器模块采用 DP 设计。
然而,所获得的经验至关重要。成功验证的 -300 kV 高压系统和 6 米漂移能力直接为垂直漂移 (VD) 技术的设计提供了依据,该技术已被采纳用于首个 DUNE 远探测器模块。VD 设计保留了基于 PCB 读取和垂直漂移的优点,但通过直接在液体中操作穿孔阳极,取消了提取网格和 LEM,从而消除了在 ProtoDUNE-DP 中遇到的主要不稳定来源。论文断言,ProtoDUNE-DP 为下一代大规模 LArTPC 所需的高压基础设施和漂移机制提供了必要的工程验证。
您所在领域的论文太多了?
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要,使用您的语言。
每周获取最佳 high-energy experiments 论文。
受到斯坦福、剑桥和法国科学院研究人员的信赖。
请查收邮箱确认订阅。
出了点问题,再试一次?
无垃圾邮件,随时退订。