First results on ProtoDUNE-SP liquid argon time projection chamber performance from a beam test at the CERN Neutrino Platform

Journal Article · Thu Dec 03 00:00:00 EST 2020 · Journal of Instrumentation

DOI:https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/12/p12004· OSTI ID:1762222

Abi, B.; Abud, A. Abed; Acciarri, R.; Acero, M. A.; Adamov, G.; Adamowski, M.; Adams, D.; Adrien, P.; Adinolfi, M.; Ahmad, Z.; Ahmed, J.; Alion, T.; Monsalve, S. Alonso; Alt, C.; Anderson, J.; Andreopoulos, C.; Andrews, M. P.; Andrianala, F.; Andringa, S.; Ankowski, A. ; Antonova, M.; Antusch, S.; Aranda-Fernandez, A.; Ariga, A.; Arnold, L. O.; Arroyave, M. A.; Asaadi, J.; Aurisano, A.; Aushev, V.; Autiero, D.; Azfar, F.; Back, H.; Back, J. J.; Backhouse, C.; Baesso, P.; Bagby, L.; Bajou, R.; Balasubramanian, S.; Baldi, P.; Bambah, B.; Barao, F.; Barenboim, G.; Barker, G. J.; Barkhouse, W.; Barnes, C.; Barr, G.; Monarca, J. Barranco; Barros, N.; Barrow, J. L.; Bashyal, A.; Basque, V.; Bay, F.; Alba, J.L. Bazo; Beacom, J. F.; Bechetoille, E.; Behera, B.; Bellantoni, L.; Bellettini, G.; Bellini, V.; Beltramello, O.; Belver, D.; Benekos, N.; Neves, F. Bento; Berger, J.; Berkman, S.; Bernardini, P.; Berner, R. M.; Berns, H.; Bertolucci, S.; Betancourt, M.; Bezawada, Y.; Bhattacharjee, M.; Bhuyan, B.; Biagi, S.; Bian, J.; Biassoni, M.; Biery, K.; Bilki, B.; Bishai, M.; Bitadze, A.; Blake, A.; Siffert, B. Blanco; Blaszczyk, F.D. M.; Blazey, G. C.; Blucher, E.; Boissevain, J.; Bolognesi, S.; Bolton, T.; Bonesini, M.; Bongrand, M.; Bonini, F.; Booth, A.; Booth, C.; Bordoni, S.; Borkum, A.; Boschi, T.; Bostan, N.; Bour, P.; Boyd, S. B.; Boyden, D.; Bracinik, J.; Braga, D.; Brailsford, D.; Brandt, A.; Bremer, J.; Brew, C.; Brianne, E.; Brice, S. J.; Brizzolari, C.; Bromberg, C.; Brooijmans, G.; Brooke, J.; Bross, A.; Brunetti, G.; Buchanan, N.; Budd, H.; Caiulo, D.; Calafiura, P.; Calcutt, J.; Calin, M.; Calvez, S.; Calvo, E.; Camilleri, L.; Caminata, A.; Campanelli, M.; Caratelli, D.; Carini, G.; Carlus, B.; Carniti, P.; Terrazas, I. Caro; Carranza, H.; Castillo, A.; Castromonte, C.; Cattadori, C.; Cavalier, F.; Cavanna, F.; Centro, S.; Cerati, G.; Cervelli, A.; Villanueva, A. Cervera; Chalifour, M.; Chang, C.; Chardonnet, E.; Charitonidis, N.; Chatterjee, A.; Chattopadhyay, S.; Chatzidaki, P.; Chaves, J.; Chen, H.; Chen, M.; Chen, Y.; Cherdack, D.; Chi, C.; Childress, S.; Chiriacescu, A.; Cho, K.; Choubey, S.; Christensen, A.; Christian, D.; Christodoulou, G.; Church, E.; Clarke, P.; Coan, T. E.; Cocco, A. G.; Coelho, J.A. B.; Conley, E.; Conrad, J. M.; Convery, M.; Corwin, L.; Cotte, P.; Cremaldi, L.; Cremonesi, L.; Crespo-Anadón, J. I.; Cristaldo, E.; Cross, R.; Cuesta, C.; Cui, Y.; Cussans, D.; Dabrowski, M.; Motta, H. da; Peres, L. Silva; David, C.; David, Q.; Davies, G. S.; Davini, S.; Dawson, J.; De, K.; Almeida, R.M. De; Debbins, P.; Bonis, I. De; Decowski, M. P.; de Gouvêa, A.; Holanda, P.C. De; Astiz, I.L. Icaza; Deisting, A.; Jong, P. De; Delbart, A.; Delepine, D.; Delgado, M.; Dell'Acqua, A.; Lurgio, P. De; Neto, J.R. Mello; DeMuth, D. M.; Dennis, S.; Densham, C.; Deptuch, G.; Roeck, A. De; Romeri, V. De; Vries, J.J. De; Dharmapalan, R.; Dias, M.; Diaz, F.; Díaz, J. S.; Domizio, S. Di; Giulio, L. Di; Ding, P.; Noto, L. Di; Distefano, C.; Diurba, R.; Diwan, M.; Djurcic, Z.; Dokania, N.; Dolinski, M. J.; Domine, L.; Douglas, D.; Drielsma, F.; Duchesneau, D.; Duffy, K.; Dunne, P.; Durkin, T.; Duyang, H.; Dvornikov, O.; Dwyer, D. A.; Dyshkant, A. S.; Eads, M.; Edmunds, D.; Eisch, J.; Emery, S.; Ereditato, A.; Escobar, C. O.; Sanchez, L. Escudero; Evans, J. J.; Ewart, E.; Ezeribe, A. C.; Fabre, C.; Fahey, K.; Falcone, A.; Farnese, C.; Farzan, Y.; Felix, J.; Fernandez-Martinez, E.; Menendez, P. Fernandez; Ferraro, F.; Fields, L.; Filkins, A.; Filthaut, F.; Fitzpatrick, R. S.; Flanagan, W.; Fleming, B.; Flight, R.; Fowler, J.; Fox, W.; Franc, J.; Francis, K.; Franco, D.; Freeman, J.; Freestone, J.; Fried, J.; Friedland, A.; Fuess, S.; Furic, I.; Furmanski, A. P.; Gago, A.; Gallagher, H.; Gallego-Ros, A.; Gallice, N.; Galymov, V.; Gamberini, E.; Gamble, T.; Gandhi, R.; Gandrajula, R.; Gao, S.; Garcia-Gamez, D.; García-Peris, M. Á.; Gardiner, S.; Gastler, D.; Ge, G.; Gelli, B.; Gendotti, A.; Gent, S.; Ghorbani-Moghaddam, Z.; Gibin, D.; Gil-Botella, I.; Girerd, C.; Giri, A. K.; Gnani, D.; Gogota, O.; Gold, M.; Gollapinni, S.; Gollwitzer, K.; Gomes, R. A.; Bermeo, L.V. Gomez; Fajardo, L.S. Gomez; Gonnella, F.; Gonzalez-Cuevas, J. A.; Goodman, M. C.; Goodwin, O.; Goswami, S.; Gotti, C.; Goudzovski, E.; Grace, C.; Graham, M.; Gramellini, E.; Gran, R.; Granados, E.; Grant, A.; Grant, C.; Gratieri, D.; Green, P.; Green, S.; Greenler, L.; Greenwood, M.; Greer, J.; Griffith, W. C.; Groh, M.; Grudzinski, J.; Grzelak, K.; Gu, W.; Guarino, V.; Guenette, R.; Guglielmi, A.; Guo, B.; Guthikonda, K. K.; Gutierrez, R.; Guzowski, P.; Guzzo, M. M.; Gwon, S.; Haaf, K.; Habig, A.; Hackenburg, A.; Hadavand, H.; Haenni, R.; Hahn, A.; Haigh, J.; Haiston, J.; Hamernik, T.; Hamilton, P.; Han, J.; Harder, K.; Harris, D. A.; Hartnell, J.; Hasegawa, T.; Hatcher, R.; Hazen, E.; Heavey, A.; Heeger, K. M.; Heise, J.; Hennessy, K.; Henry, S.; Morquecho, M.A. Hernandez; Herner, K.; Hertel, L.; Hesam, A. S.; Hewes, J.; Higuera, A.; Hill, T.; Hillier, S. J.; Himmel, A.; Hoff, J.; Hohl, C.; Holin, A.; Hoppe, E.; Horton-Smith, G. A.; Hostert, M.; Hourlier, A.; Howard, B.; Howell, R.; Hrivnak, J.; Huang, J.; Huang, J.; Hugon, J.; Iles, G.; Ilic, N.; Iliescu, A. M.; Illingworth, R.; Ioannisian, A.; Itay, R.; Izmaylov, A.; James, E.; Jargowsky, B.; Jediny, F.; Jesùs-Valls, C.; Ji, X.; Jiang, L.; Jiménez, S.; Jipa, A.; Joglekar, A.; Johnson, C.; Johnson, R.; Jones, B.; Jones, S.; Jung, C. K.; Junk, T.; Jwa, Y.; Kabirnezhad, M.; Kaboth, A.; Kadenko, I.; Kamiya, F.; Karagiorgi, G.; Karcher, A.; Karolak, M.; Karyotakis, Y.; Kasai, S.; Kasetti, S. P.; Kashur, L.; Kazaryan, N.; Kearns, E.; Keener, P.; Kelly, K. J.; Kemp, E.; Kendziora, C.; Ketchum, W.; Kettell, S. H.; Khabibullin, M.; Khotjantsev, A.; Khvedelidze, A.; Kim, D.; King, B.; Kirby, B.; Kirby, M.; Klein, J.; Koehler, K.; Koerner, L. W.; Kohn, S.; Koller, P. P.; Kordosky, M.; Kosc, T.; Kose, U.; Kostelecký, V. A.; Kothekar, K.; Krennrich, F.; Kreslo, I.; Kudenko, Y.; Kudryavtsev, V. A.; Kulagin, S.; Kumar, J.; Kumar, R.; Kuruppu, C.; Kus, V.; Kutter, T.; Lacarelle, B.; Lambert, A.; Lande, K.; Lane, C. E.; Lang, K.; Langford, T.; Lasorak, P.; Last, D.; Lastoria, C.; Laundrie, A.; Lawrence, A.; Lazanu, I.; LaZur, R.; Le, T.; Learned, J.; LeBrun, P.; Miotto, G. Lehmann; Lehnert, R.; de Oliveira, M.A. Leigui; Leitner, M.; Leyton, M.; Li, L.; Li, S.; Li, S. W.; Li, T.; Li, Y.; Liao, H.; Lin, C. S.; Lin, S.; Lister, A.; Littlejohn, B. R.; Liu, J.; Liu, T.; Lockwitz, S.; Loew, T.; Lokajicek, M.; Lomidze, I.; Long, K.; Loo, K.; Lorca, D.; Lord, T.; LoSecco, J. M.; Louis, W. C.; Luk, K. B.; Luo, X.; Lurkin, N.; Lux, T.; Luzio, V. P.; MacFarland, D.; Machado, A. A.; Machado, P.; Macias, C. T.; Macier, J. R.; Maddalena, A.; Madigan, P.; Magill, S.; Mahn, K.; Maio, A.; Maloney, J. A.; Mandrioli, G.; Maneira, J.; Manenti, L.; Manly, S.; Mann, A.; Manolopoulos, K.; Plata, M. Manrique; Marchionni, A.; Marciano, W.; Marfatia, D.; Mariani, C.; Maricic, J.; Marinho, F.; Marino, A. D.; Marshak, M.; Marshall, C.; Marshall, J.; Marteau, J.; Martin-Albo, J.; Martinez, N.; Martinez Caicedo, D. A.; Martynenko, S.; Mason, K.; Mastbaum, A.; Masud, M.; Matsuno, S.; Matthews, J.; Mauger, C.; Mauri, N.; Mavrokoridis, K.; Mazza, R.; Mazzacane, A.; Mazzucato, E.; McCluskey, E.; McConkey, N.; McFarland, K. S.; McGrew, C.; McNab, A.; Mefodiev, A.; Mehta, P.; Melas, P.; Mellinato, M.; Mena, O.; Menary, S.; Mendez, H.; Menegolli, A.; Meng, G.; Messier, M. D.; Metcalf, W.; Mewes, M.; Meyer, H.; Miao, T.; Michna, G.; Miedema, T.; Migenda, J.; Milincic, R.; Miller, W.; Mills, J.; Milne, C.; Mineev, O.; Miranda, O. G.; Miryala, S.; Mishra, C. S.; Mishra, S. R.; Mislivec, A.; Mladenov, D.; Mocioiu, I.; Moffat, K.; Moggi, N.; Mohanta, R.; Mohayai, T. A.; Mokhov, N.; Molina, J.; Bueno, L. Molina; Montanari, A.; Montanari, C.; Montanari, D.; Zetina, L.M. Montano; Moon, J.; Mooney, M.; Moor, A.; Moreno, D.; Morgan, B.; Morris, C.; Mossey, C.; Motuk, E.; Moura, C. A.; Mousseau, J.; Mu, W.; Mualem, L.; Mueller, J.; Muether, M.; Mufson, S.; Muheim, F.; Muir, A.; Mulhearn, M.; Muramatsu, H.; Murphy, S.; Musser, J.; Nachtman, J.; Nagu, S.; Nalbandyan, M.; Nandakumar, R.; Naples, D.; Narita, S.; Navas-Nicolás, D.; Nayak, N.; Nebot-Guinot, M.; Necib, L.; Negishi, K.; Nelson, J. K.; Nesbit, J.; Nessi, M.; Newbold, D.; Newcomer, M.; Newhart, D.; Nichol, R.; Niner, E.; Nishimura, K.; Norman, A.; Norrick, A.; Northrop, R.; Novella, P.; Nowak, J. A.; Oberling, M.; Campo, A. Del; Olivier, A.; Onel, Y.; Onishchuk, Y.; Ott, J.; Pagani, L.; Pakvasa, S.; Palamara, O.; Palestini, S.; Paley, J. M.; Pallavicini, M.; Palomares, C.; Pantic, E.; Paolone, V.; Papadimitriou, V.; Papaleo, R.; Papanestis, A.; Paramesvaran, S.; Parke, S.; Parsa, Z.; Parvu, M.; Pascoli, S.; Pasqualini, L.; Pasternak, J.; Pater, J.; Patrick, C.; Patrizii, L.; Patterson, R. B.; Patton, S. J.; Patzak, T.; Paudel, A.; Paulos, B.; Paulucci, L.; Pavlovic, Z.; Pawloski, G.; Payne, D.; Pec, V.; Peeters, S.J. M.; Penichot, Y.; Pennacchio, E.; Penzo, A.; Peres, O.L. G.; Perry, J.; Pershey, D.; Pessina, G.; Petrillo, G.; Petta, C.; Petti, R.; Piastra, F.; Pickering, L.; Pietropaolo, F.; Pillow, J.; Pinzino, J.; Plunkett, R.; Poling, R.; Pons, X.; Poonthottathil, N.; Pordes, S.; Potekhin, M.; Potenza, R.; Potukuchi, B.V. K.S.; Pozimski, J.; Pozzato, M.; Prakash, S.; Prakash, T.; Prince, S.; Prior, G.; Pugnere, D.; Qi, K.; Qian, X.; Raaf, J. L.; Raboanary, R.; Radeka, V.; Rademacker, J.; Radics, B.; Rafique, A.; Raguzin, E.; Rai, M.; Rajaoalisoa, M.; Rakhno, I.; Rakotondramanana, H. T.; Rakotondravohitra, L.; Ramachers, Y. A.; Rameika, R.; Delgado, M.A. Ramirez; Ramson, B.; Rappoldi, A.; Raselli, G.; Ratoff, P.; Ravat, S.; Razafinime, H.; Real, J. S.; Rebel, B.; Redondo, D.; Reggiani-Guzzo, M.; Rehak, T.; Reichenbacher, J.; Reitzner, S. D.; Renshaw, A.; Rescia, S.; Resnati, F.; Reynolds, A.; Riccobene, G.; Rice, L.C. J.; Rielage, K.; Rigamonti, A.; Rigaut, Y.; Rivera, D.; Rochester, L.; Roda, M.; Rodrigues, P.; Alonso, M.J. Rodriguez; Rondon, J. Rodriguez; Roeth, A. J.; Rogers, H.; Rosauro-Alcaraz, S.; Rosenthal, M.; Rossella, M.; Rout, J.; Roy, S.; Rubbia, A.; Rubbia, C.; Russell, B.; Russell, J.; Ruterbories, D.; Saakyan, R.; Sacerdoti, S.; Safford, T.; Sahu, N.; Sala, P.; Salukvadze, G.; Samios, N.; Sanchez, M. C.; Sanders, D. A.; Sankey, D.; Santana, S.; Santos-Maldonado, M.; Saoulidou, N.; Sapienza, P.; Sarasty, C.; Sarcevic, I.; Savage, G.; Savinov, V.; Scaramelli, A.; Scarff, A.; Scarpelli, A.; Schellman, H.; Schlabach, P.; Schmitz, D.; Scholberg, K.; Schukraft, A.; Segreto, E.; Seltskaya, E.; Sensenig, J.; Seong, I.; Sergi, A.; Sergiampietri, F.; Sgalaberna, D.; Shaevitz, M. H.; Shafaq, S.; Shamma, M.; Sharma, H. R.; Sharma, R.; Shaw, T.; Shepherd-Themistocleous, C.; Shin, S.; Shooltz, D.; Shrock, R.; Simard, L.; Simos, N.; Sinclair, J.; Sinev, G.; Singh, J.; Singh, J.; Singh, V.; Sipos, R.; Sippach, F. W.; Sirri, G.; Sitraka, A.; Siyeon, K.; Smargianaki, D.; Smith, A.; Smith, A.; Smith, E.; Smith, P.; Smolik, J.; Smy, M.; Snopok, P.; Nunes, M. Soares; Sobel, H.; Soderberg, M.; Salinas, C.J. Solano; Söldner-Rembold, S.; Solomey, N.; Solovov, V.; Sondheim, W. E.; Sorel, M.; Soto-Oton, J.; Sousa, A.; Soustruznik, K.; Spagliardi, F.; Spanu, M.; Spitz, J.; Spooner, N.J. C.; Spurgeon, K.; Staley, R.; Stancari, M.; Stanco, L.; Stefan, D.; Steiner, H. M.; Stewart, J.; Stillwell, B.; Stock, J.; Stocker, F.; Stokes, T.; Strait, M.; Strauss, T.; Striganov, S.; Stuart, A.; Sulej, R.; Summers, D.; Surdo, A.; Susic, V.; Suter, L.; Sutera, C. M.; Svoboda, R.; Szczerbinska, B.; Szelc, A. M.; Talaga, R.; Tanaka, H. A.; Oregui, B. Tapia; Tapper, A.; Tariq, S.; Tatar, E.; Tayloe, R.; Teklu, A. M.; Tenti, M.; Terao, K.; Ternes, C. A.; Terranova, F.; Testera, G.; Thea, A.; Thompson, J. L.; Thorn, C.; Timm, S. C.; Tonazzo, A.; Torti, M.; Tortola, M.; Tortorici, F.; Totani, D.; Toups, M.; Touramanis, C.; Trevor, J.; Trzaska, W. H.; Tsai, Y. T.; Tsamalaidze, Z.; Tsang, K. V.; Tsverava, N.; Tufanli, S.; Tull, C.; Tyley, E.; Tzanov, M.; Uchida, M. A.; Urheim, J.; Usher, T.; Vagins, M. R.; Vahle, P.; Valdiviesso, G. A.; Valencia, E.; Vallari, Z.; Valle, J.W. F.; Vallecorsa, S.; Berg, R. Van; de Water, R.G. Van; Forero, D. Vanegas; Varanini, F.; Vargas, D.; Varner, G.; Vasel, J.; Vasseur, G.; Vaziri, K.; Ventura, S.; Verdugo, A.; Vergani, S.; Vermeulen, M. A.; Verzocchi, M.; de Souza, H. Vieira; Vignoli, C.; Vilela, C.; Viren, B.; Vrba, T.; Wachala, T.; Waldron, A. V.; Wallbank, M.; Wang, H.; Wang, J.; Wang, Y.; Wang, Y.; Warburton, K.; Warner, D.; Wascko, M.; Waters, D.; Watson, A.; Weatherly, P.; Weber, A.; Weber, M.; Wei, H.; Weinstein, A.; Wenman, D.; Wetstein, M.; While, M. R.; White, A.; Whitehead, L. H.; Whittington, D.; Wilking, M. J.; Wilkinson, C.; Williams, Z.; Wilson, F.; Wilson, R. J.; Wolcott, J.; Wongjirad, T.; Wood, K.; Wood, L.; Worcester, E.; Worcester, M.; Wret, C.; Wu, W.; Wu, W.; Xiao, Y.; Yang, G.; Yang, T.; Yershov, N.; Yonehara, K.; Young, T.; Yu, B.; Yu, H. W.; Yu, H. Z.; Yu, J.; Yu, Z. Y.; Zaki, R.; Zalesak, J.; Zambelli, L.; Zamorano, B.; Zani, A.; Zazueta, L.; Zeller, G. P.; Zennamo, J.; Zeug, K.; Zhang, C.; Zhao, M.; Zhivun, E.; Zhu, G.; Zimmerman, E. D.; Zito, M.; Zucchelli, S.; Zuklin, J.; Zutshi, V.; Zwaska, R.

The ProtoDUNE-SP detector is a single-phase liquid argon time projection chamber with an active volume of 7.2× 6.1× 7.0 m3. It is installed at the CERN Neutrino Platform in a specially-constructed beam that delivers charged pions, kaons, protons, muons and electrons with momenta in the range 0.3 GeV/c to 7 GeV/c. Beam line instrumentation provides accurate momentum measurements and particle identification. The ProtoDUNE-SP detector is a prototype for the first far detector module of the Deep Underground Neutrino Experiment, and it incorporates full-size components as designed for that module. This paper describes the beam line, the time projection chamber, the photon detectors, the cosmic-ray tagger, the signal processing and particle reconstruction. It presents the first results on ProtoDUNE-SP's performance, including noise and gain measurements, dE/dx calibration for muons, protons, pions and electrons, drift electron lifetime measurements, and photon detector noise, signal sensitivity and time resolution measurements. The measured values meet or exceed the specifications for the DUNE far detector, in several cases by large margins. ProtoDUNE-SP's successful operation starting in 2018 and its production of large samples of high-quality data demonstrate the effectiveness of the single-phase far detector design.

• Research Organization: Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States). National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC); Univ. of Hawaii, Honolulu, HI (United States); Los Alamos National Laboratory (LANL), Los Alamos, NM (United States); Brookhaven National Laboratory (BNL), Upton, NY (United States); SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC), Menlo Park, CA (United States); Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Richland, WA (United States); Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Univ. of Hawaii at Manoa, Honolulu, HI (United States); Univ. of Michigan, Ann Arbor, MI (United States); Univ. of Rochester, NY (United States)
• Sponsoring Organization: USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP); USDOE Office of Science (SC), Basic Energy Sciences (BES); National Science Foundation (NSF); USDOE Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Program
• Contributing Organization: DUNE Collaboration
• Grant/Contract Number: AC02-05CH11231; AC02-07CH11359; SC0010504; AC02-76SF00515; SC0007859; 89233218CNA000001; SC0008475
• OSTI ID: 1762222
• Alternate ID(s): OSTI ID: 1656876; OSTI ID: 1779203; OSTI ID: 1779877; OSTI ID: 1807711; OSTI ID: 1822154; OSTI ID: 1835810; OSTI ID: 1839028
• Report Number(s): FERMILAB-PUB-20-059-AD-ESH-LBNF-ND-SCD; CERN-EP-2020-125; LA-UR-21-30820; ark:/13030/qt8xv789t6; TRN: US2205860
• Journal Information: Journal of Instrumentation, Vol. 15, Issue 12; ISSN 1748-0221
• Publisher: Institute of Physics (IOP)
• Country of Publication: United States
• Language: English

Related Subjects

47 OTHER INSTRUMENTATION
46 INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY
Noble liquid detectors (scintillation
ionization
single-phase)
Time projection chambers
Large detector systems for particle and astroparticle physics
Atomic
Nuclear and Particle Physics