Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 1: Introduction
1–3
The construction and operation of ProtoDUNE-SP will serve to validate the membrane cryostat
technology and associated cryogenics, and the networking and computing infrastructure that will
handle the data and simulated data sets. A charged-particle beam test will enable critical calibra-
tion measurements necessary for precise calorimetry. It will also enable the collection of invaluable
data sets for optimizing the event reconstruction algorithms – i.e., for finding interaction vertices
and for particle identification – and ultimately for quantifying and reducing systematic uncertain-
ties for the DUNE far detector. These measurements are expected to significantly improve the
physics reach of the DUNE experiment.
The timescale for the validation of the basic TPC design is driven by the schedule for the major
LBNC and DOE reviews of the DUNE TDR that will take place in 2019. This sets the requirement
for ProtoDUNE-SP data collection in 2018.
Given its technical challenges, its importance to the DUNE experiment and the timeframe in which
it must operate, ProtoDUNE-SP has put in place a strong organizational structure incorporating
contributions from a large number of DUNE collaboration institutes.
1.2
The ProtoDUNE-SP detector
The ProtoDUNE-SP TPC, illustrated in Figure 1.1 comprises two drift volumes, defined by a
central cathode plane that is flanked by two anode planes, each at a distance of 3.6 m, and a field
cage (FC) that surrounds the entire active volume. The active volume is 6 m high, 7 m wide and
7.2 m deep (along the drift direction). Each anode plane is constructed of three adjacent Anode
Plane Assemblies (APAs) that are each 6 m high by 2.3 m wide in the installed position. Each
APA consists of a frame that holds three parallel planes of sense and shielding wires on each of its
two faces; the wires of each plane are oriented at different angles with respect to those making up
the other planes to enable 3D reconstruction. The first two planes of wires wrap around to cover
both faces of the APA and their wires have a 4.67 mm pitch. The third planes (on both faces) are
not electrically connected and have a 4.79 mm pitch. Signals from the wires of each APA are read
out via a total of 2,560 electronics channels.
The cathode plane, called the Cathode Plane Assembly (CPA) is an array of 18 (six wide by three
high) CPA modules, which consist of flame-retardant FR4 frames, each 1.18 m wide and 2 m
high, that hold thin panels with a resistive coating on both sides. The CPA is held at −180 kV
providing the 500-V/cm drift field in the 3.6-m-deep drift regions. Uniformity of the electric field
is guaranteed by the surrounding FC.
The CE, mounted onto the APA frame, and thus immersed in LAr, amplifies and continuously
digitizes the induced signals on the sense wires at several MHz, and transmits these waveforms to
the Data Acquisition system (DAQ). From the DAQ the data are transmitted through the buffer
to disk, then to the central CERN Tier-0 Computing Center, and finally to other partner sites for
processing and analysis.
The modular PDS is integrated into the APAs. Each PDS module (referred to as a PD) consists
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 1: Introduction
1–4
Figure 1.1: The major components of the ProtoDUNE-SP TPC.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 1: Introduction
1–5
of a bar-shaped light guide and a wavelength-shifting layer (surface-coating or mounted radiator
plate). The wavelength-shifting layer converts incoming VUV (128 nm) scintillation photons to
longer-wavelength photons, in the visible blue range. Some of the converted photons are emitted
into the bar, a fraction of which are then internally reflected to the bar’s end where they are
detected by silicon photomultipliers (SiPMs). Each APA frame is designed with ten bays into
which PDs are inserted after the TPC wires have been strung. This allows for final assembly at
the integration area (in a clean room) at the CERN NP prior to installation inside the cryostat.
1.3
Goals of ProtoDUNE-SP
ProtoDUNE-SP has four principal goals, all of which are essential parts of the DUNE far detector
development program:
•
Prototype the production and installation procedures for the single-phase far detector design.
•
Validate the design from the perspective of basic detector performance; this can be achieved
with cosmic-ray data. This is the critical step from the perspective of establishing the design
for the DUNE TDRs, which will undergo LBNC and DOE reviews in 2019.
•
Accumulate large samples of test-beam data to understand/calibrate the response of the
detector to different particle species.
•
Demonstrate the long-term operational stability of the detector as part of the risk mitigation
program ahead of the construction of the first 10-kt far detector module.
Commissioning and successfully bringing the detector into operation and maintaining it in a stable
operating condition over a period of one-to-three months would allow for validation of the design
through a full characterization of the detector components, including the membrane cryostat and
the cooling and purification circuit, the APA design and the layout of its cold read-out electronics,
the HV system, and the PDS and its warm read-out electronics. This can be achieved by collecting
cosmic-ray data.
The large samples of test-beam data of different particle species would allow for a more in-depth
understanding the response of the detector and could ultimately be used for calibration purposes.
The analysis of the test-beam data will involve strong feedback between reconstruction, detector
simulation, and hadronic modeling. Three types of systematic effects will be addressed: (1) a
detailed understanding of energy scale and energy resolution for electromagnetic and hadronic
showers; (2) the detector response to different particle species, including the impact of recombi-
nation effects as a function of angle; and (3) improved modeling of the interactions of hadrons in
argon, which will provide constraints to the GEANT4 physics models. A run period of approx-
imately three months in the test beam is considered sufficient, assuming stable operation under
good beam conditions. The aim is to accumulate these data before the start of LS2 (Jul-Oct,
2018).
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---