Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 6: Test beam specifications
6–148
H4-VLE beam to Single Phase ProtoDune
Figure 6.3: H4 beamline extension optics for the horizontal (top) and vertical (bottom) planes. The
secondary target is located on the left side of the plots and the front of the ProtoDUNE-SP cryostat is
located at the beam focus point, at about 37 m from the secondary target. Q17-Q22 are the quadrupole
magnets. B17-B19 are the dipole bending magnets. TOF1-2 are the Time-of-Flight detectors, BPROF1-
4 are the beam profile monitors, and XCET1-2 are the threshold Cherenkov counters.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 6: Test beam specifications
6–149
Table 6.3: Particle rates (Hz).
Momentum (GeV/c)
e
+−
K
+−
µ
+−
p
+−
π
+−
total
-7
57
7
2
3
138
207
-6
62
5
2
2
113
185
-5
72
3
2
2
87
166
-4
93
2
2
1
72
170
-3
11
0.5
1
0.5
26
39
-2
13
0
0.5
0.1
16
27
-1
18
0
0.2
0
4
22
-0.4
8
0
0
0
0.1
8
0.4
7
0
0
0
0
7
1
18
0
0
4
4
27
2
13
0.2
0.5
9
15
38
3
11
1
1
11
31
56
4
92
3
2
17
81
196
5
74
6
3
19
99
200
6
63
9
3
24
127
226
7
52
13
2
27
157
252
capability. At lower energies, the proton and pion rates are much lower, reduced by a factor of 10
at 1 or 2 GeV/c, and are overwhelmed by the positron rate.
The momentum spread of the beam is of the order of 5–7%. At higher energies, where the particle
rate is higher, the momentum spread can be narrowed by closing the collimators, at the expense
of the beam intensity. For example, Figure 6.4 shows that at p = 4 GeV/c the momentum spread
can be reduced to ∆p/p = 3.6% with a factor of 4 reduction in particle rate.
6.2.3
Muon halo
The secondary beam is mainly composed of 80-GeV pions. In the long path (≈ 600 m) between the
primary and the secondary target, an intense high-energy muon halo is produced by pion decay.
Muons propagate approximately in the direction of the first section of the H4 beamline, that is
slightly upward and sidewards of the H4 beamline extension which points at the ProtoDUNE-SP
detector. Therefore the most intense part of the muon halo passes about one meter above the
left corner of ProtoDUNE-SP cryostat. Figure 6.5 shows the spatial distribution of the muon
halo at the face of the cryostat. Only muons with momentum larger than 4 GeV/c have been
considered. Despite the low statistics of the simulations, the up-down and left-right asymmetry
is clearly visible. The origin of the coordinate system is chosen to coincide with the center of the
cryostat face. The color scale shows the muon intensity in µ/m
2
/
spill for 10
6
particles/spill from
the primary target. The muon intensity on the cryostat face, indicated by the black rectangle in
Figure 6.5, ranges up to ∼400 µ/m
2
/spill. However, the rate of halo muons impinging on the front
side of the TPC active volume (red rectangle) is expected to be significantly lower, in particular,
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 6: Test beam specifications
6–150
Figure 6.4: Beam momentum spread with different collimator openings at 4 GeV/c.
as low as a few µ/m
2
/spill on the Saleve side of the TPC where the H4 beamline points. The
rate of beam events with out-of-time halo muon tracks captured in the 2.5 ms time frame of the
recorded event is expected to be limited.
Figure 6.5 is very preliminary though, not only because of low statistics, but also because shielding
around the low-energy beamline is not included in the simulation, and the muons produced in
neighboring beamlines in EHN1, including the H2 beamline that feeds ProtoDUNE-DP, are not
considered here. Based on these results, the estimated contribution to the total data volume from
beam halo is negligible.
6.3
Beamline instrumentation
The H4 beamline will be instrumented with a number of beamline detectors to provide information
about the beam profile, position, momentum, particle identification, and trigger capability.
6.3.1
Beamline monitors
Operation of the beamline requires at least one beam monitor, able to provide the beam profile
in two dimensions (x, y) at the entrance point to the NP04 cryostat. The beam monitor can also
be exploited for data analysis, provided that it delivers data on an event-by-event basis. Another
monitor, located immediately downstream of the last bending magnet, is added in the layout in
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 6: Test beam specifications
6–151
6000
−
4000
−
2000
−
0
2000
4000
6000
6000
−
4000
−
2000
−
0
2000
4000
6000
1
10
2
10
3
10
4
10
Figure 6.5: Muon halo intensity at the cryostat face for muons originating from the H4 beamline and
with P
µ
≥
4 Gev/c. The origin of the x−y coordinate system is centered on the cryostat and dimensions
are in mm. Color scale is in units of µ/m
2
/spill. The black and red rectangles represent the cryostat
face and front face of the active detector volume.
order to determine the incident particle direction and position at the front face of the cryostat,
and match it with the reconstructed track in the LAr active volume.
To reduce the uncertainty due to the momentum spread of the beam around the central selected
value, the momentum can be measured particle-by-particle with a set of three detectors placed one
upstream and two downstream of the bending magnets B18 (see Figure 6.3). Preliminary results
using full simulations indicate that a momentum resolution on the order of 2% is achievable.
The CERN Beam Instrumentation group is designing and fabricating the beam monitors using
scintillating fiber technology, where the fibers have a polystyrene core surrounded by cladding.
Fibers provide a light yield of ∼8000 photons/MeV, deposited with fast rise and decay times of 1–
3 ns. The design foresees 1-mm-square fibers in two planes to provide x and y coordinates. Fibers
will be mirrored on one end to increase light collection. Every monitor consisting of two planes
of 1-mm-thick fibers adds 0.47% of a radiation length (X
0
) to the material budget – the amount
of material distributed along the beamline and crossed by the beam particles before entering the
TPC active volume. The three devices for momentum measurement will consist of one layer only,
oriented perpendicularly to the magnet deflection. A fiber plane is made out of 192 fibers with
no space between them. It will cover an area of 192 mm × 192 mm and fits in the beamline.
Scintillation light will be read out using SiPMs. These detectors for position and momentum
measurement are mounted through special flanges along the beam pipe, without the need to break
the vacuum.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---