Dune cdr the Single-Phase Protodune

4.4
CE installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5
Cold test stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.6
Top/bottom FC assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.7
FC end wall panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.8
Field cages deployed in Salève-side drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1
Conceptual diagram of the flow of raw data in ProtoDUNE-SP
. . . . . . . . . . . . . 130
5.2
CNN-based EM selection in pion event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3
CNN-based EM selection in pion samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.4
Reconstructed invariant masses of π
0
candidates in MC
. . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5
PANDORA reconstruction, single muons, 300 MeV/c < p < 5 GeV/c . . . . . . . . . . 138
5.6
PMA reconstruction, single muons, 300 MeV/c < p < 5 GeV/c . . . . . . . . . . . . . . 139
5.7
Vertex resolution for inelastic interaction of π
±
on Ar where a π
0
is produced . . . . . . 140
5.8
Reconstructed event of simulated proton with initial momentum 2 GeV/c . . . . . . . . 141
5.9
Example of reconstructed cosmic muons in ProtoDUNE-SP . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.10 Comparison of imaging recon qualities with and without charge information . . . . . . . 142
5.11 Reconstructed image for one neutrino interaction event; comparison to MC . . . . . . . 143
6.1
Beam window locations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2
H4 beamline layout
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.3
H4 beam optics
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4
Beam momentum uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.5
Muon halo intensity at the cryostat face
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.6
CERN threshold Cherenkov counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.7
Cherenkov gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.8
Required ToF resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.9
pLAPPD time-of-flight system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.10 Material budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.11 Placement of upstream and downstream Cosmic Ray Tagger (CRT) panels . . . . . . . 158
6.12 Drawing of Cosmic Ray Tagger (CRT) module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.13 Photo of CRT module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.14 Orthogonal layout of a four-module CRT unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.15 Photo of four-module CRT unit from Double Chooz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
vi

---

LIST OF TABLES
0–1
List of Tables
1.1
Preliminary run plan for ProtoDUNE-SP hadron beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2
Preliminary run plan for ProtoDUNE-SP electron beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1
TPC detection components, dimensions and quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2
Prelim physics requirements that motivate APA design parameters . . . . . . . . . . . . 14
2.3
APA design parameters
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4
Baseline bias voltages for APA wire layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5
CuBe wire tensile strength and CTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6
Electronics components and quantities
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7
Physics requirements for the PDS electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.8
Parameters defining data rate and volume in the “most likely” scenario . . . . . . . . . 84
2.9
Cryostat penetrations, roof
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.10 Engineering parameters for cryogenics installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.11 Estimated heat loads within the cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.12 Cryostat pressures during normal operations
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.1
Raw data storage parameter estimates
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1
Particle beam requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2
Beam composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.3
Particle rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 1: Introduction
1–2
Chapter 1
Introduction
1.1
ProtoDUNE-SP in the context of DUNE/LBNF
ProtoDUNE-SP is the single-phase DUNE Far Detector prototype that is under construction and
will be operated at the CERN Neutrino Platform (NP) starting in 2018. It was proposed to the
CERN SPSC in June 2015 (SPSC-P-351), and following positive recommendations by SPSC and
the CERN Research Board in December 2015, was approved at CERN as experiment NP-04 (Pro-
toDUNE). The Fermilab Director and the CERN Director of Research and Scientific Computing
signed a Memorandum of Understanding (MoU) for this experiment in December 2015 that is
initially valid until December 2022, and may be extended by mutual agreement.
ProtoDUNE-SP, a crucial part of the DUNE effort towards the construction of the first DUNE
10-kt fiducial mass far detector module (17 kt total LAr mass), is a significant experiment in its
own right. With a total liquid argon (LAr) mass of 0.77 kt, it represents the largest monolithic
single-phase LArTPC detector to be built to date. It is housed in an extension to the EHN1 hall in
the North Area, where the CERN NP is providing a new dedicated charged-particle test beamline.
ProtoDUNE-SP aims to take its first beam data before the LHC long shutdown (LS2) at the end
of 2018.
ProtoDUNE-SP prototypes the designs of most of the single-phase DUNE far detector module
(DUNE-SP) components at a 1:1 scale, with an extrapolation of about 1:20 in total LAr mass.
This is similar to the scaling factor adopted by ICARUS; its T600 detector, split into two half-
modules of about 375 t total LAr mass each, was preceded by the 14-t “10-m
3
” prototype.
The detector elements, consisting of the time projection chamber (TPC), the cold electronics (CE),
and the photon detection system (PDS), are housed in a cryostat that contains the LAr target
material. The cryostat, a free-standing steel-framed vessel with an insulated double membrane, is
based on the technology used for liquefied natural gas (LNG) storage and transport. A cryogenics
system maintains the LAr at a stable temperature of about 89 K and at the required purity level
through a closed-loop process that recovers the evaporated argon, recondenses and filters it, and
returns it to the cryostat.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---