Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 5: Software and Computing
5–140
Figure 5.7 shows the spatial resolution of the interaction vertex with neutral pion production
appearing in the 2-GeV/c π
+
sample. The resolution is found to be 0.6 cm in this study. A similar
resolution is obtained for the reconstruction of inelastic interaction vertices in the 2-GeV/c proton
sample.
Figures 5.8 and 5.9 show examples of reconstruction of a 2-GeV/c proton in the test beam and
cosmic-ray muons, respectively.
Figure 5.7: Vertex position resolution in cm in x, y, and z and 3D for the inelastic interaction of charged
pions on liquid argon nuclei in events in which a π
0
is produced, in ProtoDUNE-SP, using the PMA
algorithm.
WireCell
WireCell [47], a new reconstruction method under development, adopts a very different approach
from the aforementioned algorithms . Instead of performing pattern recognition directly on each
of the 2D views (drift time versus wire number), the first step of the WireCell reconstruction is to
perform 3D imaging with time, geometry, and charge information. The algorithm takes advantage
of this information to suppress the effects of electronic noise. Often, noise will lead to a fluctuation
in a waveform which may be large enough to mimic a signal. The algorithm combats this by
requiring any potential signal to be consistent across multiple wires, given their geometry, in their
charge across time. Many of the fluctuations due to noise will fail this consistency requirement and
be rejected while true signal will satisfy it. Use of the charge and time information in this manner
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Chapter 5: Software and Computing
5–141
Figure 5.8: Example of reconstructed event of simulated proton with initial momentum 2 GeV/c (re-
construction algorithms: gaushit, Line Cluster and PMA).
Figure 5.9: Example of reconstructed cosmic muons using gaushit, Line Cluster and PMA.
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Chapter 5: Software and Computing
5–142
takes advantage of the fact that in a LArTPC with induction planes, each of the wire planes, in
principle, detects the same ionization electrons as the other planes. Figure 5.10 shows an example
of the improvement of WireCell 3D imaging over the more traditional approach.
The suppression of the electronic noise comes at the cost of more sensitivity to hit inefficiencies
from dead channels or the signal processing steps. Since the track and shower hypotheses are
not used, the 3D imaging works for any event topology. Pattern recognition is needed to identify
the content of these 3D images. Figure 5.11 shows the performance of the currently available 3D
pattern recognition in WireCell. For the long track going close to parallel to the wire plane, the
reconstructed track shows a zig-zag behavior. This is due to the current lack of a fine track-fitting
algorithm that is expected to be added in the near future. Further developments of the WireCell
pattern recognition algorithms are needed before meaningful physics quantities can be calculated.
Figure 5.10: Comparison of imaging reconstruction qualities with and without the charge information.
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Chapter 5: Software and Computing
5–143
Figure 5.11: The reconstructed image is shown on the left panel for one neutrino interaction event. The
image was passed through the 3D pattern recognition program with tracks identified (middle panel).
The identified pattern is compared with Monte-Carlo truth in the right panel. The zig-zag line in the
right panel is the identified track. More sophisticated track-fitting algorithms, to be added in the future,
will improve the track reconstruction.
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Chapter 6: Test beam specifications
6–144
Chapter 6
Test beam specifications
The ProtoDUNE-SP (NP04) experiment will be housed in the EHN1 building at CERN. The
detector is situated at the end of the H4 beamline in the newly constructed extension of EHN1.
The H4 beamline is also extended and configured to deliver either a hadron or a pure electron beam
to the experiment. To produce particles in the momentum range of interest, the secondary beam
from the T2 primary target is sent onto a secondary target to generate a tertiary beam. Particles
in this tertiary beam are momentum- and charge-selected and transported down the H4 beamline
extension to the ProtoDUNE-SP detector. This chapter discusses the beam requirements, the H4
tertiary beamline design and instrumentations, the DAQ/trigger, and the physics run plans.
6.1
Beam requirements
The CERN test beam results from ProtoDUNE-SP will be used to evaluate the detector perfor-
mance, understand the various physics systematic effects, and provide data for event reconstruction
studies that are representative of neutrino interactions. The parameters defining the test beam are
primarily driven by the requirement that these test beam results be directly applicable to DUNE’s
future large underground single-phase detector module(s) with minimal extrapolation. To match
the charged-particle spectrum and topologies that are expected in the DUNE far detector, the H4
tertiary beam must span a broad range of particle momenta, be composed of electrons, muons,
and hadrons, and charge-selectable. The expected momentum distributions for secondary particles
from neutrino interactions in the far detector has a large spread that ranges from a few hundred
MeV/c to a few GeV/c. The desirable range for ProtoDUNE-SP is in the low-momentum region.
Based on the feedback and constraints from the CERN accelerator group, the design of the beam-
line extension has been developed to allow the transport of beam particles from about 0.5 GeV/c
up to 7 GeV/c.
The maximum electron drift time in the ProtoDUNE-SP TPC is about 2.25 ms. In order to keep
the pile-up in the TPC at the percent level, the planned beam particle rate should be below 100 Hz.
The ProtoDUNE-SP TPC has two drift volumes separated by a cathode plane. It is desirable to
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