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Title: Performance of a Modular Ton-Scale Pixel-Readout Liquid Argon Time Projection Chamber
The Module-0 Demonstrator is a single-phase 600 kg liquid argon time projection chamber operated as a prototype for the DUNE liquid argon near detector. Based on the ArgonCube design concept, Module-0 features a novel 80k-channel pixelated charge readout and advanced high-coverage photon detection system. In this paper, we present an analysis of an eight-day data set consisting of 25 million cosmic ray events collected in the spring of 2021. We use this sample to demonstrate the imaging performance of the charge and light readout systems as well as the signal correlations between the two. We also report argon purity and detector uniformity measurements and provide comparisons to detector simulations.  more » « less
Award ID(s):
2047665
PAR ID:
10566122
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Instruments
Date Published:
Journal Name:
Instruments
Volume:
8
Issue:
3
ISSN:
2410-390X
Page Range / eLocation ID:
41
Format(s):
Medium: X
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National Science Foundation
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  1. Abstract The rapid development of general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU) is allowing the implementation of highly-parallelized Monte Carlo simulation chains for particle physics experiments. This technique is particularly suitable for the simulation of a pixelated charge readout for time projection chambers, given the large number of channels that this technology employs. Here we present the first implementation of a full microphysical simulator of a liquid argon time projection chamber (LArTPC) equipped with light readout and pixelated charge readout, developed for the DUNE Near Detector. The software is implemented with an end-to-end set of GPU-optimized algorithms. The algorithms have been written in Python and translated into CUDA kernels using Numba, a just-in-time compiler for a subset of Python and NumPy instructions. The GPU implementation achieves a speed up of four orders of magnitude compared with the equivalent CPU version. The simulation of the current induced on 10^3 pixels takes around 1 ms on the GPU, compared with approximately 10 s on the CPU. The results of the simulation are compared against data from a pixel-readout LArTPC prototype. 
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  2. Abstract

    Doping of liquid argon TPCs (LArTPCs) with a small concentration of xenon is a technique for light-shifting and facilitates the detection of the liquid argon scintillation light. In this paper, we present the results of the first doping test ever performed in a kiloton-scale LArTPC. From February to May 2020, we carried out this special run in the single-phase DUNE Far Detector prototype (ProtoDUNE-SP) at CERN, featuring 720 t of total liquid argon mass with 410 t of fiducial mass. A 5.4 ppm nitrogen contamination was present during the xenon doping campaign. The goal of the run was to measure the light and charge response of the detector to the addition of xenon, up to a concentration of 18.8 ppm. The main purpose was to test the possibility for reduction of non-uniformities in light collection, caused by deployment of photon detectors only within the anode planes. Light collection was analysed as a function of the xenon concentration, by using the pre-existing photon detection system (PDS) of ProtoDUNE-SP and an additional smaller set-up installed specifically for this run. In this paper we first summarize our current understanding of the argon-xenon energy transfer process and the impact of the presence of nitrogen in argon with and without xenon dopant. We then describe the key elements of ProtoDUNE-SP and the injection method deployed. Two dedicated photon detectors were able to collect the light produced by xenon and the total light. The ratio of these components was measured to be about 0.65 as 18.8 ppm of xenon were injected. We performed studies of the collection efficiency as a function of the distance between tracks and light detectors, demonstrating enhanced uniformity of response for the anode-mounted PDS. We also show that xenon doping can substantially recover light losses due to contamination of the liquid argon by nitrogen.

     
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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. Capone, A ; De_Vincenzi, M ; Morselli, A (Ed.)

    In the direct searches for Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) as Dark Matter candidates, the sensitivity of the detector to the incom- ing particle direction could provide a smoking gun signature for an interesting event. The SCENE collaboration firstly suggested the possible directional de- pendence of a dual-phase argon Time Projection Chamber through the columnar recombination effect. The Recoil Directionality project (ReD) within the Global Argon Dark Matter Collaboration aims to characterize the light and charge re- sponse of a liquid Argon dual-phase TPC to neutron-induced nuclear recoils to probe for the hint by SCENE. In this work, the directional sensitivity of the de- tector in the energy range of interest for WIMPs (20-100 keV) is investigated with a data-driven analysis involving a Machine Learning algorithm.

     
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  5. Abstract Liquid argon (LAr) is a common choice as detection medium in particle physics and rare-event searches. Challenges of LAr scintillation light detection include its short emission wavelength, long scintillation time and short attenuation length. The addition of small amounts of xenon to LAr is known to improve the scintillation and optical properties. We present a characterization campaign on xenon-doped liquid argon (XeDLAr) with target xenon concentrations ranging from 0 to 300 ppm by mass encompassing the measurement of the photoelectron yield Y , effective triplet lifetime τ 3 and effective attenuation length λ att . The measurements were conducted in the Subterranean Cryogenic ARgon Facility, Scarf , a 1 t (XeD)LAr test stand in the shallow underground laboratory (UGL) of TU-Munich. These three scintillation and optical parameters were observed simultaneously with a single setup, the Legend Liquid Argon Monitoring Apparatus, Llama . The actual xenon concentrations in the liquid and gaseous phases were determined with the Impurity DEtector For Investigation of Xenon, Idefix , a mass spectrometer setup, and successful doping was confirmed. At the highest dopant concentration we find a doubling of Y , a tenfold reduction of τ 3 to ∼90 ns and a tenfold increase of λ att to over 6 m. 
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