Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 1: Introduction
1–8
target and help to optimize event reconstruction techniques, particle identification algortihms, and
calorimetric energy measurements. The beam measurements will also provide a calibration data
set for tuning the Monte Carlo simulations and a reference data set for the DUNE experiment.
Pion and proton beams in an energy range from about one to a few GeV will be used primarily
to study hadronic interaction mechanisms and secondary particle production. At higher energies,
these beams will be used to study shower reconstruction and energy calibration. Electrons will
be used to benchmark and tune electron/photon separation algorithms, to study electromagnetic
cascade processes and to calibrate electromagnetic showers at higher energies. Charged kaons pro-
duced in the tertiary beamline are rare but are copiously produced by the pion beam interactions
inside the detector. These will be extremely useful for characterizing kaon identification efficiency
for proton decay sensitivity studies. Samples of stopping muons with Michel electrons from muon
decay (or without them, in the case of negative muon capture) will be used for energy calibra-
tions in the low-energy range of the SN neutrino events and for the development of charge-sign
determination methods.
A cumulative ProtoDUNE-SP test-beam run period of 16 weeks is assumed, but it depends on the
extent of beamline sharing with other users at EHN1. The run will take place prior to the long
shutdown of the LHC in late 2018 (LS2).
ProtoDUNE-SP will acquire cosmic data during periods with no beam. A dedicated external
trigger system consisting of arrays of scintillator paddles, suitably positioned and arranged in
coincidence
trigger logic, will select specific classes of cosmic muon events. Dedicated runs, e.g.,
runs looking for long muon tracks crossing the entire detector at large zenith angles, allow for an
overall test of the detector performance and the DAQ. Runs looking for muons stopping inside the
LAr volume and the accumulation of accurate Michel electron spectra may be useful for energy
calibration purposes in the low-energy range.
It is important to note that ProtoDUNE-SP offers much beyond calibration and detector perfor-
mance characterization. The LArTPC simultaneously features precise 3D tracking and accurate
measurement of energy deposited. Its large active volume allows for good containment of the
hadronic and electromagnetic interaction products in the few GeV range. These capabilities have
never before been combined in one detector. The unprecedented event reconstruction capability
combined with the exposure of the detector’s large active volume to the CERN charged-particle
beams open the way to a truly rich program of new physics investigations into particle interaction
processes.
Hadronic (π, K and p) interactions on an Ar target around one GeV produce low-multiplicity final
states rather than “hadron showers,” and similarily 1-GeV electrons (with critical energy
30
MeV in Ar) produce low-populated cascades, with only a few tens of secondary energetic electrons
(positrons). “TPC/imaging-aided calorimetric measurements” will allow investigations of energy
deposition mechanisms in this energy range where the standard hadronic and electromagnetic
shower concepts and features are either not well defined or cannot be applied. The calorimetric
measurement of the total energy deposited can, in fact, be accomplished, by detecting and sum-
ming over the energy deposited by each individual secondary particle/track thanks to the imaging
capabilities of the LArTPC. In particular, the determination of the electromagnetic content in
hadron-initiated cascades, π
0
multiplicity, and the energy fraction carried as a function of primary
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 1: Introduction
1–9
hadron incident energy will be of interest.
1.4
The ProtoDUNE-SP Run plan
Beam simulations show that the hadron rates at energies below 1 GeV/c are low. Moreover, low-
energy beams are more subject to degradation by materials in the beamline. The optimization of
the run plan factors in the beam composition and particle rates of the H4 beamline, and also particle
interaction topologies in the ProtoDUNE-SP detector. Full simulations of particle transport in the
ProtoDUNE-SP detector, including the beam window, have been performed.
At a beam momentum of 1 GeV/c, 35% of protons are stopped before reaching the active TPC
region, while the percentage reduces to 0.5% at 2 GeV/c. The kinetic energy distributions of
protons and pions at the entrance point of the TPC for different beam momenta are shown in
Figure 1.2. The fraction of stopping π’s for one π produced at the secondary target is 3% at
p
= 0.4 GeV/c and decreases to 1.3% at p = 0.7 GeV/c. The long distance (37 m) between the
secondary target and the front of the LAr cryostat has a significant impact on the pion and kaon
rates in the TPC. Due to pion lifetime, many of the low-energy pions produced at the secondary
target decay in the beam pipe before reaching the cryostat. The situation is even more significant
for kaons; most kaons below 2 Gev/c do not make it to the cryostat. Consequently the H4 beamline
will not be operated much below 1 GeV/c in the hadron mode. For electrons, the beam momentum
should go as low as possible to study the topology of very low-energy electron-initiated showers.
Figure 1.2: Kinetic energy of particles at the point of interaction in the ProtoDUNE-SP active volume,
for different beam momenta. Histograms are normalized to one particle injected in the beamline accep-
tance. Simulations include the beam window materials, beams are considered as monochromatic and
parallel. Left: protons, Right: pions.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---