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Title: Scintillation light detection in the 6-m drift-length ProtoDUNE Dual Phase liquid argon TPC
Abstract DUNE is a dual-site experiment for long-baseline neutrino oscillation studies, neutrino astrophysics and nucleon decay searches. ProtoDUNE Dual Phase (DP) is a 6  $$\times $$ ×  6  $$\times $$ ×  6 m $$^3$$ 3 liquid argon time-projection-chamber (LArTPC) that recorded cosmic-muon data at the CERN Neutrino Platform in 2019–2020 as a prototype of the DUNE Far Detector. Charged particles propagating through the LArTPC produce ionization and scintillation light. The scintillation light signal in these detectors can provide the trigger for non-beam events. In addition, it adds precise timing capabilities and improves the calorimetry measurements. In ProtoDUNE-DP, scintillation and electroluminescence light produced by cosmic muons in the LArTPC is collected by photomultiplier tubes placed up to 7 m away from the ionizing track. In this paper, the ProtoDUNE-DP photon detection system performance is evaluated with a particular focus on the different wavelength shifters, such as PEN and TPB, and the use of Xe-doped LAr, considering its future use in giant LArTPCs. The scintillation light production and propagation processes are analyzed and a comparison of simulation to data is performed, improving understanding of the liquid argon properties.  more » « less
Award ID(s):
2013217 2209601
PAR ID:
10422565
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
82
Issue:
7
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract The ProtoDUNE-SP detector is a single-phase liquid argon time projection chamber (LArTPC) that was constructed and operated in the CERN North Area at the end of the H4 beamline. This detector is a prototype for the first far detector module of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), which will be constructed at the Sandford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota, U.S.A. The ProtoDUNE-SP detector incorporates full-size components as designed for DUNE and has an active volume of 7 × 6 × 7.2 m 3 . The H4 beam delivers incident particles with well-measured momenta and high-purity particle identification. ProtoDUNE-SP's successful operation between 2018 and 2020 demonstrates the effectiveness of the single-phase far detector design. This paper describes the design, construction, assembly and operation of the detector components. 
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  3. Abstract Liquid argon time projection chamber detector technology provides high spatial and calorimetric resolutions on the charged particles traversing liquid argon. As a result, the technology has been used in a number of recent neutrino experiments, and is the technology of choice for the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). In order to perform high precision measurements of neutrinos in the detector, final state particles need to be effectively identified, and their energy accurately reconstructed. This article proposes an algorithm based on a convolutional neural network to perform the classification of energy deposits and reconstructed particles as track-like or arising from electromagnetic cascades. Results from testing the algorithm on experimental data from ProtoDUNE-SP, a prototype of the DUNE far detector, are presented. The network identifies track- and shower-like particles, as well as Michel electrons, with high efficiency. The performance of the algorithm is consistent between experimental data and simulation. 
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  4. Abstract Primary challenges for current and future precision neutrino experiments using liquid argon time projection chambers (LArTPCs) include understanding detector effects and quantifying the associated systematic uncertainties. This paper presents a novel technique for assessing and propagating LArTPC detector-related systematic uncertainties. The technique makes modifications to simulation waveforms based on a parameterization of observed differences in ionization signals from the TPC between data and simulation, while remaining insensitive to the details of the detector model. The modifications are then used to quantify the systematic differences in low- and high-level reconstructed quantities. This approach could be applied to future LArTPC detectors, such as those used in SBN and DUNE. 
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  5. Abstract The Pandora Software Development Kit and algorithm libraries provide pattern-recognition logic essential to the reconstruction of particle interactions in liquid argon time projection chamber detectors. Pandora is the primary event reconstruction software used at ProtoDUNE-SP, a prototype for the Deep Underground Neutrino Experiment far detector. ProtoDUNE-SP, located at CERN, is exposed to a charged-particle test beam. This paper gives an overview of the Pandora reconstruction algorithms and how they have been tailored for use at ProtoDUNE-SP. In complex events with numerous cosmic-ray and beam background particles, the simulated reconstruction and identification efficiency for triggered test-beam particles is above 80% for the majority of particle type and beam momentum combinations. Specifically, simulated 1 GeV/ c charged pions and protons are correctly reconstructed and identified with efficiencies of 86.1 $$\pm 0.6$$ ± 0.6 % and 84.1 $$\pm 0.6$$ ± 0.6 %, respectively. The efficiencies measured for test-beam data are shown to be within 5% of those predicted by the simulation. 
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