Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 6: Test beam specifications
6–152
6.3.2
Particle identification system
The H4 beamline is capable of delivering two types of beams, electron and hadron. While the elec-
tron beam is relatively pure, the hadron beam consists of a mixture of electrons, pions, kaons, and
protons. Therefore, for the hadron beam, it is essential to have an efficient particle identification
system to cleanly tag particle types on a particle-by-particle basis. To achieve this goal, a particle
identification system based on a combination of threshold Cherenkov counters and time-of-flight
(ToF) system is planned for ProtoDUNE-SP. Cherenkov counters can be placed in the last segment
of the beamline, between the last bending magnet and the cryostat.
Threshold Cherenkov counter
Threshold Cherenkov counters have been used extensively in beamlines to discriminate particles.
Figure 6.6 shows one of the counters used in the CERN test beam area. It consists of a gas
radiator that is contained in a long cylindrical tube, and a detection box in which the Cherenkov
light is reflected by a 45
◦
mirror and focused onto a photomultiplier tube (PMT). A variety of
gases (e.g., CO
2
, nitrogen, argon, Freon 12, air) are available at CERN for filling the Cherenkov
counter to optimize particle identification. Two threshold Cherenkov counters will be installed in
the beamline, one for detecting pions, the other for detecting pions and kaons. The combination
of the two signals will allow identification of all hadron species. To provide signals at low beam
momenta, either heavier gases or high pressures are needed. Figure 6.7 shows the gas-pressure
threshold for the production of Cherenkov light for various particle types as a function of particle
momentum for Freon 12 and CO
2
gases.
Figure 6.6: CERN threshold Cherenkov counter
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 6: Test beam specifications
6–153
Figure 6.7: Gas pressure threshold for the production of Cherenkov light for various particles as a
function of particle momentum for Freon 12
2
and CO
2
gases.
Freon 12 has been selected for its heavier mass, however, to avoid liquefaction it cannot be operated
at pressures over 3 bars. CO
2
can be used more easily at higher pressures. Figure 6.7 shows that
pions can be tagged with a 3-bar Freon counter for momenta larger than 2 GeV/c, and kaons can
be tagged with a high-pressure (15 bars) CO
2
counter above 4 GeV/c.
The plan for beam instrumentation includes a 2-m-long Cherenkov counter filled with Freon 12 at
adjustable pressure up to 3 bars (XCET1), and a 2-m-long Cherenkov counter filled with CO
2
at
adjustable pressure up to 15 bars (XCET2). Existing Cherenkov counters at CERN are designed
for pressures lower than 3 bars, therefore a new counter has to be manufactured in order to reach
the 15 bars needed to efficiently tag kaons. Drawings for such high-pressure Cherenkov counters
do exist, as they have been used in the past. Since it will not be necessary to use both counters
at all energies, the CO
2
counter, filled at low pressure, will be used for electron discrimination at
beam momenta lower than 4 GeV/c.
A time-of-flight (ToF) system is necessary to distinguish hadrons below the mentioned thresholds;
the instruments will be deployed as follows:
•
Below 2 GeV/c: one Cherenkov filled with CO
2
at low pressure discriminates electrons; ToF
needed for hadrons.
•
Between 2-3 GeV/c: one Cherenkov filled with CO
2
low pressure discriminates electrons;
second Cherenkov filled with Freon 12 tags pions; kaon content in this range is very low or
negligible; ToF is needed to identify protons.
•
Between 3-4 GeV/c: one Cherenkov filled with CO
2
at low pressure discriminates electrons;
second Cherenkov filled with Freon 12 tags pions; ToF is needed for kaon/proton discrimi-
nation.
•
Between 4-7 GeV/c: one Cherenkov filled with CO
2
at high pressure tags kaons; second
Cherenkov filled with Freon 12 tags pions; electron content of the beam is low and can be
discriminated by reconstruction.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 6: Test beam specifications
6–154
From table 6.2 it is evident that the kaon content of the beam is negligible at least below 2 GeV/c,
thus only pion-proton separation is needed at low energies. Figure 6.8 shows the ToF resolution
needed to distinguish among particle species at the 4σ level as a function of the particle momentum,
assuming a 28-m-long path. To distinguish pions from protons below 2 GeV/c, a 1-ns resolution
is enough, while 300 ps are necessary for kaon-proton separation up to 4 GeV/c. It should also be
noted that a ToF system with a ∼100-ps resolution would allow identification of protons from other
hadrons up to 7 GeV; this would release the need for a high-pressure CO
2
Cherenkov. Conversely,
covering the full energy range up to 7 GeV for all hadron types would require a ToF system with
a resolution better than 40 ps. In the following, two (possibly complementary) ToF systems are
described.
Figure 6.8: Required ToF resolution to distinguish among particle species at the
4σ level as a function of
the particle momentum, assuming a 28-m long path. (The figure shows 23 m; it needs to be updated.)
pLAPPD time-of-flight system
Fermilab is testing a ToF system from Argonne National Laboratory that would utilize 6 × 6
cm
2
prototype large-area picosecond photodetectors (pLAPPDs), as shown in Figure 6.9. The
microchannel-plate-based devices are capable of < 50 ps resolution with gains of 10
6
−
10
7
mm
position resolution along one axis, and slightly worse resolution along the other axis. The pho-
todetector is mounted on a readout board, and the relevant exterior dimensions are 165.1 mm ×
109.3 mm with a thickness of 16 mm. The active area is defined by the four squares visible in
Figure 6.9, and amounts to about 31 cm
2
. Tests of these devices in the Fermilab test beam facility
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---