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Title: DUNE Phase II: scientific opportunities, detector concepts, technological solutions
The international collaboration designing and constructing the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) at the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) has developed a two-phase strategy toward the implementation of this leading-edge, large-scale science project. The 2023 report of the US Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) reaffirmed this vision and strongly endorsed DUNE Phase I and Phase II, as did the European Strategy for Particle Physics. While the construction of the DUNE Phase I is well underway, this White Paper focuses on DUNE Phase II planning. DUNE Phase-II consists of a third and fourth far detector (FD) module, an upgraded near detector complex, and an enhanced 2.1 MW beam. The fourth FD module is conceived as a "Module of Opportunity", aimed at expanding the physics opportunities, in addition to supporting the core DUNE science program, with more advanced technologies. This document highlights the increased science opportunities offered by the DUNE Phase II near and far detectors, including long-baseline neutrino oscillation physics, neutrino astrophysics, and physics beyond the standard model. It describes the DUNE Phase II near and far detector technologies and detector design concepts that are currently under consideration. A summary of key R&D goals and prototyping phases needed to realize the Phase II detector technical designs is also provided. DUNE's Phase II detectors, along with the increased beam power, will complete the full scope of DUNE, enabling a multi-decadal program of groundbreaking science with neutrinos.  more » « less
Award ID(s):
2047665
PAR ID:
10564980
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Journal of Instrumentation
Date Published:
Journal Name:
Journal of Instrumentation
Volume:
19
Issue:
12
ISSN:
1748-0221
Page Range / eLocation ID:
P12005
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is an international, world-class experiment aimed at exploring fundamental questions about the universe that are at the forefront of astrophysics and particle physics research. DUNE will study questions pertaining to the preponderance of matter over antimatter in the early universe, the dynamics of supernovae, the subtleties of neutrino interaction physics, and a number of beyond the Standard Model topics accessible in a powerful neutrino beam. A critical component of the DUNE physics program involves the study of changes in a powerful beam of neutrinos, i.e., neutrino oscillations, as the neutrinos propagate a long distance. The experiment consists of a near detector, sited close to the source of the beam, and a far detector, sited along the beam at a large distance. This document, the DUNE Near Detector Conceptual Design Report (CDR), describes the design of the DUNE near detector and the science program that drives the design and technology choices. The goals and requirements underlying the design, along with projected performance are given. It serves as a starting point for a more detailed design that will be described in future documents. 
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  2. null (Ed.)
    Abstract The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) will be a powerful tool for a variety of physics topics. The high-intensity proton beams provide a large neutrino flux, sampled by a near detector system consisting of a combination of capable precision detectors, and by the massive far detector system located deep underground. This configuration sets up DUNE as a machine for discovery, as it enables opportunities not only to perform precision neutrino measurements that may uncover deviations from the present three-flavor mixing paradigm, but also to discover new particles and unveil new interactions and symmetries beyond those predicted in the Standard Model (SM). Of the many potential beyond the Standard Model (BSM) topics DUNE will probe, this paper presents a selection of studies quantifying DUNE’s sensitivities to sterile neutrino mixing, heavy neutral leptons, non-standard interactions, CPT symmetry violation, Lorentz invariance violation, neutrino trident production, dark matter from both beam induced and cosmogenic sources, baryon number violation, and other new physics topics that complement those at high-energy colliders and significantly extend the present reach. 
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  3. 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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  4. null (Ed.)
    Abstract The sensitivity of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) to neutrino oscillation is determined, based on a full simulation, reconstruction, and event selection of the far detector and a full simulation and parameterized analysis of the near detector. Detailed uncertainties due to the flux prediction, neutrino interaction model, and detector effects are included. DUNE will resolve the neutrino mass ordering to a precision of 5 $$\sigma $$ σ , for all $$\delta _{\mathrm{CP}}$$ δ CP values, after 2 years of running with the nominal detector design and beam configuration. It has the potential to observe charge-parity violation in the neutrino sector to a precision of 3 $$\sigma $$ σ (5 $$\sigma $$ σ ) after an exposure of 5 (10) years, for 50% of all $$\delta _{\mathrm{CP}}$$ δ CP values. It will also make precise measurements of other parameters governing long-baseline neutrino oscillation, and after an exposure of 15 years will achieve a similar sensitivity to $$\sin ^{2} 2\theta _{13}$$ sin 2 2 θ 13 to current reactor experiments. 
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  5. Doglioni, C. ; Kim, D. ; Stewart, G.A. ; Silvestris, L. ; Jackson, P. ; Kamleh, W. (Ed.)
    This paper is based on a talk given at Computing in High Energy Physics in Adelaide, South Australia, Australia in November 2019. It is partially intended to explain the context of DUNE Computing for computing specialists. The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) collaboration consists of over 180 institutions from 33 countries. The experiment is in preparation now, with commissioning of the first 10kT fiducial volume Liquid Argon TPC expected over the period 2025-2028 and a long data taking run with 4 modules expected from 2029 and beyond. An active prototyping program is already in place with a short test-beam run with a 700T, 15,360 channel prototype of single-phase readout at the Neutrino Platform at CERN in late 2018 and tests of a similar sized dual-phase detector scheduled for mid-2019. The 2018 test-beam run was a valuable live test of our computing model. The detector produced raw data at rates of up to 2GB/s. These data were stored at full rate on tape at CERN and Fermilab and replicated at sites in the UK and Czech Republic. In total 1.2 PB of raw data from beam and cosmic triggers were produced and reconstructed during the six week testbeam run. Baseline predictions for the full DUNE detector data, starting in the late 2020’s are 30-60 PB of raw data per year. In contrast to traditional HEP computational problems, DUNE’s Liquid Argon TPC data consist of simple but very large (many GB) 2D data objects which share many characteristics with astrophysical images. This presents opportunities to use advances in machine learning and pattern recognition as a frontier user of High Performance Computing facilities capable of massively parallel processing. 
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