First results on ProtoDUNE-SP liquid argon time projection chamber performance from a beam test at the CERN Neutrino Platform

Creators: Abi, B.; Abed Abud, A.; Acciarri, R.; Acero, M. A.; Adamov, G.; Adamowski, M.; Adams, D.; Adrien, P.; Adinolfi, M.; Ahmad, Z.; Ahmed, J.; Alion, T.; Alonso Monsalve, S.; Alt, C.; Anderson, J.; Andreopoulos, C.; Andrews, M. P.; Andrianala, F.; Andringa, S.; Ankowski, A.; Antonova, M.; Antusch, S.; Aranda-Fernandez, A.; Ariga, A.; Arnold, L. O.; Arroyave, M. A.; Asaadi, J.; Aurisano, A.; Aushev, V.; Autiero, D.; Azfar, F.; Back, H.; Back, J. J.; Backhouse, C.; Baesso, P.; Bagby, L.; Bajou, R.; Balasubramanian, S.; Baldi, P.; Bambah, B.; Barao, F.; Barenboim, G.; Barker, G. J.; Barkhouse, W.; Barnes, C.; Barr, G.; Barranco Monarca, J.; Barros, N.; Barrow, J. L.; Bashyal, A.; Basque, V.; Bay, F.; Bazo Alba, J. L.; Beacom, J. F.; Bechetoille, E.; Behera, B.; Bellantoni, L.; Bellettini, G.; Bellini, V.; Beltramello, O.; Belver, D.; Benekos, N.; Bento Neves, F.; Berger, J.; Berkman, S.; Bernardini, P.; Berner, R. M.; Berns, H.; Bertolucci, S.; Betancourt, M.; Bezawada, Y.; Bhattacharjee, M.; Bhuyan, B.; Biagi, S.; Bian, J.; Biassoni, M.; Biery, K.; Bilki, B.; Bishai, M.; Bitadze, A.; Blake, A.; Blanco Siffert, B.; Blaszczyk, F. D. M.; Blazey, G. C.; Blucher, E.; Boissevain, J.; Bolognesi, S.; Bolton, T.; Bonesini, M.; Bongrand, M.; Bonini, F.; Booth, A.; Booth, C.; Bordoni, S.; Borkum, A.; Boschi, T.; Bostan, N.; Bour, P.; Boyd, S. B.; Boyden, D.; Bracinik, J.; Braga, D.; Brailsford, D.; Brandt, A.; Bremer, J.; Brew, C.; Brianne, E.; Brice, S. J.; Brizzolari, C.; Bromberg, C.; Brooijmans, G.; Brooke, J.; Bross, A.; Brunetti, G.; Buchanan, N.; Budd, H.; Caiulo, D.; Calafiura, P.; Calcutt, J.; Calin, M.; Calvez, S.; Calvo, E.; Camilleri, L.; Caminata, A.; Campanelli, M.; Caratelli, D.; Carini, G.; Carlus, B.; Carniti, P.; Caro Terrazas, I.; Carranza, H.; Castillo, A.; Castromonte, C.; Cattadori, C.; Cavalier, F.; Cavanna, F.; Centro, S.; Cerati, G.; Cervelli, A.; Cervera Villanueva, A.; Chalifour, M.; Chang, C.; Chardonnet, E.; Charitonidis, N.; Chatterjee, A.; Chattopadhyay, S.; Chatzidaki, P.; Chaves, J.; Chen, H.; Chen, M.; Chen, Y.; Cherdack, D.; Chi, C.; Childress, S.; Chiriacescu, A.; Cho, K.; Choubey, S.; Christensen, A.; Christian, D.; Christodoulou, G.; Church, E.; Clarke, P.; Coan, T. E.; Cocco, A. G.; Coelho, J. A. B.; Conley, E.; Conrad, J. M.; Convery, M.; Corwin, L.; Cotte, P.; Cremaldi, L.; Cremonesi, L.; Crespo-Anadón, J. I.; Cristaldo, E.; Cross, R.; Cuesta, C.; Cui, Y.; Cussans, D.; Dabrowski, M.; da Motta, H.; Da Silva Peres, L.; David, C.; David, Q.; Davies, G. S.; Davini, S.; Dawson, J.; De, K.; De Almeida, R. M.; Debbins, P.; De Bonis, I.; Decowski, M. P.; de Gouvêa, A.; De Holanda, P. C.; De Icaza Astiz, I. L.; Deisting, A.; De Jong, P.; Delbart, A.; Delepine, D.; Delgado, M.; Dell'Acqua, A.; De Lurgio, P.; de Mello Neto, J. R. T.; DeMuth, D. M.; Dennis, S.; Densham, C.; Deptuch, G.; De Roeck, A.; De Romeri, V.; De Vries, J. J.; Dharmapalan, R.; Dias, M.; Diaz, F.; Díaz, J. S.; Di Domizio, S.; Di Giulio, L.; Ding, P.; Di Noto, L.; Distefano, C.; Diurba, R.; Diwan, M.; Djurcic, Z.; Dokania, N.; Dolinski, M. J.; Domine, L.; Douglas, D.; Drielsma, F.; Duchesneau, D.; Duffy, K.; Dunne, P.; Durkin, T.; Duyang, H.; Dvornikov, O.; Dwyer, D. A.; Dyshkant, A. S.; Eads, M.; Edmunds, D.; Eisch, J.; Emery, S.; Ereditato, A.; Escobar, C. O.; Escudero Sanchez, L.; Evans, J. J.; Ewart, E.; Ezeribe, A. C.; Fabre, C.; Fahey, K.; Falcone, A.; Farnese, C.; Farzan, Y.; Felix, J.; Fernandez-Martinez, E.; Fernandez Menendez, P.; Ferraro, F.; Fields, L.; Filkins, A.; Filthaut, F.; Fitzpatrick, R. S.; Flanagan, W.; Fleming, B.; Flight, R.; Fowler, J.; Fox, W.; Franc, J.; Francis, K.; Franco, D.; Freeman, J.; Freestone, J.; Fried, J.; Friedland, A.; Fuess, S.; Furic, I.; Furmanski, A. P.; Gago, A.; Gallagher, H.; Gallego-Ros, A.; Gallice, N.; Galymov, V.; Gamberini, E.; Gamble, T.; Gandhi, R.; Gandrajula, R.; Gao, S.; Garcia-Gamez, D.; García-Peris, M. Á.; Gardiner, S.; Gastler, D.; Ge, G.; Gelli, B.; Gendotti, A.; Gent, S.; Ghorbani-Moghaddam, Z.; Gibin, D.; Gil-Botella, I.; Girerd, C.; Giri, A. K.; Gnani, D.; Gogota, O.; Gold, M.; Gollapinni, S.; Gollwitzer, K.; Gomes, R. A.; Gomez Bermeo, L. V.; Gomez Fajardo, L. S.; Gonnella, F.; Gonzalez-Cuevas, J. A.; Goodman, M. C.; Goodwin, O.; Goswami, S.; Gotti, C.; Goudzovski, E.; Grace, C.; Graham, M.; Gramellini, E.; Gran, R.; Granados, E.; Grant, A.; Grant, C.; Gratieri, D.; Green, P.; Green, S.; Greenler, L.; Greenwood, M.; Greer, J.; Griffith, W. C.; Groh, M.; Grudzinski, J.; Grzelak, K.; Gu, W.; Guarino, V.; Guenette, R.; Guglielmi, A.; Guo, B.; Guthikonda, K. K.; Gutierrez, R.; Guzowski, P.; Guzzo, M. M.; Gwon, S.; Haaf, K.; Habig, A.; Hackenburg, A.; Hadavand, H.; Haenni, R.; Hahn, A.; Haigh, J.; Haiston, J.; Hamernik, T.; Hamilton, P.; Han, J.; Harder, K.; Harris, D. A.; Hartnell, J.; Hasegawa, T.; Hatcher, R.; Hazen, E.; Heavey, A.; Heeger, K. M.; Heise, J.; Hennessy, K.; Henry, S.; Hernandez Morquecho, M. A.; Herner, K.; Hertel, L.; Hesam, A. S.; Hewes, J.; Higuera, A.; Hill, T.; Hillier, S. J.; Himmel, A.; Hoff, J.; Hohl, C.; Holin, A.; Hoppe, E.; Horton-Smith, G. A.; Hostert, M.; Hourlier, A.; Howard, B.; Howell, R.; Hrivnak, J.; Huang, J.; Huang, J.; Hugon, J.; Iles, G.; Ilic, N.; Iliescu, A. M.; Illingworth, R.; Ioannisian, A.; Itay, R.; Izmaylov, A.; James, E.; Jargowsky, B.; Jediny, F.; Jesùs-Valls, C.; Ji, X.; Jiang, L.; Jiménez, S.; Jipa, A.; Joglekar, A.; Johnson, C.; Johnson, R.; Jones, B.; Jones, S.; Jung, C. K.; Junk, T.; Jwa, Y.; Kabirnezhad, M.; Kaboth, A.; Kadenko, I.; Kamiya, F.; Karagiorgi, G.; Karcher, A.; Karolak, M.; Karyotakis, Y.; Kasai, S.; Kasetti, S. P.; Kashur, L.; Kazaryan, N.; Kearns, E.; Keener, P.; Kelly, K. J.; Kemp, E.; Kendziora, C.; Ketchum, W.; Kettell, S. H.; Khabibullin, M.; Khotjantsev, A.; Khvedelidze, A.; Kim, D.; King, B.; Kirby, B.; Kirby, M.; Klein, J.; Koehler, K.; Koerner, L. W.; Kohn, S.; Koller, P. P.; Kordosky, M.; Kosc, T.; Kose, U.; Kostelecký, V. A.; Kothekar, K.; Krennrich, F.; Kreslo, I.; Kudenko, Y.; Kudryavtsev, V. A.; Kulagin, S.; Kumar, J.; Kumar, R.; Kuruppu, C.; Kus, V.; Kutter, T.; Lacarelle, B.; Lambert, A.; Lande, K.; Lane, C. E.; Lang, K.; Langford, T.; Lasorak, P.; Last, D.; Lastoria, C.; Laundrie, A.; Lawrence, A.; Lazanu, I.; LaZur, R.; Le, T.; Learned, J.; LeBrun, P.; Lehmann Miotto, G.; Lehnert, R.; Leigui de Oliveira, M. A.; Leitner, M.; Leyton, M.; Li, L.; Li, S.; Li, S. W.; Li, T.; Li, Y.; Liao, H.; Lin, C. S.; Lin, S.; Lister, A.; Littlejohn, B. R.; Liu, J.; Liu, T.; Lockwitz, S.; Loew, T.; Lokajicek, M.; Lomidze, I.; Long, K.; Loo, K.; Lorca, D.; Lord, T.; LoSecco, J. M.; Louis, W. C.; Luk, K. B.; Luo, X.; Lurkin, N.; Lux, T.; Luzio, V. P.; MacFarland, D.; Machado, A. A.; Machado, P.; Macias, C. T.; Macier, J. R.; Maddalena, A.; Madigan, P.; Magill, S.; Mahn, K.; Maio, A.; Maloney, J. A.; Mandrioli, G.; Maneira, J.; Manenti, L.; Manly, S.; Mann, A.; Manolopoulos, K.; Manrique Plata, M.; Marchionni, A.; Marciano, W.; Marfatia, D.; Mariani, C.; Maricic, J.; Marinho, F.; Marino, A. D.; Marshak, M.; Marshall, C.; Marshall, J.; Marteau, J.; Martin-Albo, J.; Martinez, N.; Martinez Caicedo, D. A.; Martynenko, S.; Mason, K.; Mastbaum, A.; Masud, M.; Matsuno, S.; Matthews, J.; Mauger, C.; Mauri, N.; Mavrokoridis, K.; Mazza, R.; Mazzacane, A.; Mazzucato, E.; McCluskey, E.; McConkey, N.; McFarland, K. S.; McGrew, C.; McNab, A.; Mefodiev, A.; Mehta, P.; Melas, P.; Mellinato, M.; Mena, O.; Menary, S.; Mendez, H.; Menegolli, A.; Meng, G.; Messier, M. D.; Metcalf, W.; Mewes, M.; Meyer, H.; Miao, T.; Michna, G.; Miedema, T.; Migenda, J.; Milincic, R.; Miller, W.; Mills, J.; Milne, C.; Mineev, O.; Miranda, O. G.; Miryala, S.; Mishra, C. S.; Mishra, S. R.; Mislivec, A.; Mladenov, D.; Mocioiu, I.; Moffat, K.; Moggi, N.; Mohanta, R.; Mohayai, T. A.; Mokhov, N.; Molina, J.; Molina Bueno, L.; Montanari, A.; Montanari, C.; Montanari, D.; Montano Zetina, L. M.; Moon, J.; Mooney, M.; Moor, A.; Moreno, D.; Morgan, B.; Morris, C.; Mossey, C.; Motuk, E.; Moura, C. A.; Mousseau, J.; Mu, W.; Mualem, L.; Mueller, J.; Muether, M.; Mufson, S.; Muheim, F.; Muir, A.; Mulhearn, M.; Muramatsu, H.; Murphy, S.; Musser, J.; Nachtman, J.; Nagu, S.; Nalbandyan, M.; Nandakumar, R.; Naples, D.; Narita, S.; Navas-Nicolás, D.; Nayak, N.; Nebot-Guinot, M.; Necib, L.; Negishi, K.; Nelson, J. K.; Nesbit, J.; Nessi, M.; Newbold, D.; Newcomer, M.; Newhart, D.; Nichol, R.; Niner, E.; Nishimura, K.; Norman, A.; Norrick, A.; Northrop, R.; Novella, P.; Nowak, J. A.; Oberling, M.; Olivares Del Campo, A.; Olivier, A.; Onel, Y.; Onishchuk, Y.; Ott, J.; Pagani, L.; Pakvasa, S.; Palamara, O.; Palestini, S.; Paley, J. M.; Pallavicini, M.; Palomares, C.; Pantic, E.; Paolone, V.; Papadimitriou, V.; Papaleo, R.; Papanestis, A.; Paramesvaran, S.; Parke, S.; Parsa, Z.; Parvu, M.; Pascoli, S.; Pasqualini, L.; Pasternak, J.; Pater, J.; Patrick, C.; Patrizii, L.; Patterson, R. B.; Patton, S. J.; Patzak, T.; Paudel, A.; Paulos, B.; Paulucci, L.; Pavlovic, Z.; Pawloski, G.; Payne, D.; Pec, V.; Peeters, S. J. M.; Penichot, Y.; Pennacchio, E.; Penzo, A.; Peres, O. L. G.; Perry, J.; Pershey, D.; Pessina, G.; Petrillo, G.; Petta, C.; Petti, R.; Piastra, F.; Pickering, L.; Pietropaolo, F.; Pillow, J.; Pinzino, J.; Plunkett, R.; Poling, R.; Pons, X.; Poonthottathil, N.; Pordes, S.; Potekhin, M.; Potenza, R.; Potukuchi, B. V. K. S.; Pozimski, J.; Pozzato, M.; Prakash, S.; Prakash, T.; Prince, S.; Prior, G.; Pugnere, D.; Qi, K.; Qian, X.; Raaf, J. L.; Raboanary, R.; Radeka, V.; Rademacker, J.; Radics, B.; Rafique, A.; Raguzin, E.; Rai, M.; Rajaoalisoa, M.; Rakhno, I.; Rakotondramanana, H. T.; Rakotondravohitra, L.; Ramachers, Y. A.; Rameika, R.; Ramirez Delgado, M. A.; Ramson, B.; Rappoldi, A.; Raselli, G.; Ratoff, P.; Ravat, S.; Razafinime, H.; Real, J. S.; Rebel, B.; Redondo, D.; Reggiani-Guzzo, M.; Rehak, T.; Reichenbacher, J.; Reitzner, S. D.; Renshaw, A.; Rescia, S.; Resnati, F.; Reynolds, A.; Riccobene, G.; Rice, L. C. J.; Rielage, K.; Rigamonti, A.; Rigaut, Y.; Rivera, D.; Rochester, L.; Roda, M.; Rodrigues, P.; Rodriguez Alonso, M. J.; Rodriguez Rondon, J.; Roeth, A. J.; Rogers, H.; Rosauro-Alcaraz, S.; Rosenthal, M.; Rossella, M.; Rout, J.; Roy, S.; Rubbia, A.; Rubbia, C.; Russell, B.; Russell, J.; Ruterbories, D.; Saakyan, R.; Sacerdoti, S.; Safford, T.; Sahu, N.; Sala, P.; Salukvadze, G.; Samios, N.; Sanchez, M. C.; Sanders, D. A.; Sankey, D.; Santana, S.; Santos-Maldonado, M.; Saoulidou, N.; Sapienza, P.; Sarasty, C.; Sarcevic, I.; Savage, G.; Savinov, V.; Scaramelli, A.; Scarff, A.; Scarpelli, A.; Schellman, H.; Schlabach, P.; Schmitz, D.; Scholberg, K.; Schukraft, A.; Segreto, E.; Seltskaya, E.; Sensenig, J.; Seong, I.; Sergi, A.; Sergiampietri, F.; Sgalaberna, D.; Shaevitz, M. H.; Shafaq, S.; Shamma, M.; Sharma, H. R.; Sharma, R.; Shaw, T.; Shepherd-Themistocleous, C.; Shin, S.; Shooltz, D.; Shrock, R.; Simard, L.; Simos, N.; Sinclair, J.; Sinev, G.; Singh, J.; Singh, J.; Singh, V.; Sipos, R.; Sippach, F. W.; Sirri, G.; Sitraka, A.; Siyeon, K.; Smargianaki, D.; Smith, A.; Smith, A.; Smith, E.; Smith, P.; Smolik, J.; Smy, M.; Snopok, P.; Soares Nunes, M.; Sobel, H.; Soderberg, M.; Solano Salinas, C. J.; Söldner-Rembold, S.; Solomey, N.; Solovov, V.; Sondheim, W. E.; Sorel, M.; Soto-Oton, J.; Sousa, A.; Soustruznik, K.; Spagliardi, F.; Spanu, M.; Spitz, J.; Spooner, N. J. C.; Spurgeon, K.; Staley, R.; Stancari, M.; Stanco, L.; Stefan, D.; Steiner, H. M.; Stewart, J.; Stillwell, B.; Stock, J.; Stocker, F.; Stokes, T.; Strait, M.; Strauss, T.; Striganov, S.; Stuart, A.; Sulej, R.; Summers, D.; Surdo, A.; Susic, V.; Suter, L.; Sutera, C. M.; Svoboda, R.; Szczerbinska, B.; Szelc, A. M.; Talaga, R.; Tanaka, H. A.; Tapia Oregui, B.; Tapper, A.; Tariq, S.; Tatar, E.; Tayloe, R.; Teklu, A. M.; Tenti, M.; Terao, K.; Ternes, C. A.; Terranova, F.; Testera, G.; Thea, A.; Thompson, J. L.; Thorn, C.; Timm, S. C.; Tonazzo, A.; Torti, M.; Tortola, M.; Tortorici, F.; Totani, D.; Toups, M.; Touramanis, C.; Trevor, J.; Trzaska, W. H.; Tsai, Y. T.; Tsamalaidze, Z.; Tsang, K. V.; Tsverava, N.; Tufanli, S.; Tull, C.; Tyley, E.; Tzanov, M.; Uchida, M. A.; Urheim, J.; Usher, T.; Vagins, M. R.; Vahle, P.; Valdiviesso, G. A.; Valencia, E.; Vallari, Z.; Valle, J. W. F.; Vallecorsa, S.; Van Berg, R.; Van de Water, R. G.; Vanegas Forero, D.; Varanini, F.; Vargas, D.; Varner, G.; Vasel, J.; Vasseur, G.; Vaziri, K.; Ventura, S.; Verdugo, A.; Vergani, S.; Vermeulen, M. A.; Verzocchi, M.; Vieira de Souza, H.; Vignoli, C.; Vilela, C.; Viren, B.; Vrba, T.; Wachala, T.; Waldron, A. V.; Wallbank, M.; Wang, H.; Wang, J.; Wang, Y.; Wang, Y.; Warburton, K.; Warner, D.; Wascko, M.; Waters, D.; Watson, A.; Weatherly, P.; Weber, A.; Weber, M.; Wei, H.; Weinstein, A.; Wenman, D.; Wetstein, M.; While, M. R.; White, A.; Whitehead, L. H.; Whittington, D.; Wilking, M. J.; Wilkinson, C.; Williams, Z.; Wilson, F.; Wilson, R. J.; Wolcott, J.; Wongjirad, T.; Wood, K.; Wood, L.; Worcester, E.; Worcester, M.; Wret, C.; Wu, W.; Wu, W.; Xiao, Y.; Yang, G.; Yang, T.; Yershov, N.; Yonehara, K.; Young, T.; Yu, B.; Yu, H. W.; Yu, H. Z.; Yu, J.; Yu, Z. Y.; Zaki, R.; Zalesak, J.; Zambelli, L.; Zamorano, B.; Zani, A.; Zazueta, L.; Zeller, G. P.; Zennamo, J.; Zeug, K.; Zhang, C.; Zhao, M.; Zhivun, E.; Zhu, G.; Zimmerman, E. D.; Zito, M.; Zucchelli, S.; Zuklin, J.; Zutshi, V.; Zwaska, R.; DUNE Collaboration

Abstract

The ProtoDUNE-SP detector is a single-phase liquid argon time projection chamber with an active volume of 7.2 × 6.1 × 7.0 m³. It is installed at the CERN Neutrino Platform in a specially-constructed beam that delivers charged pions, kaons, protons, muons and electrons with momenta in the range 0.3 GeV/c to 7 GeV/c. Beam line instrumentation provides accurate momentum measurements and particle identification. The ProtoDUNE-SP detector is a prototype for the first far detector module of the Deep Underground Neutrino Experiment, and it incorporates full-size components as designed for that module. This paper describes the beam line, the time projection chamber, the photon detectors, the cosmic-ray tagger, the signal processing and particle reconstruction. It presents the first results on ProtoDUNE-SP's performance, including noise and gain measurements, dE/dx calibration for muons, protons, pions and electrons, drift electron lifetime measurements, and photon detector noise, signal sensitivity and time resolution measurements. The measured values meet or exceed the specifications for the DUNE far detector, in several cases by large margins. ProtoDUNE-SP's successful operation starting in 2018 and its production of large samples of high-quality data demonstrate the effectiveness of the single-phase far detector design.

Additional Information

© 2020 CERN. Published by IOP Publishing Ltd on behalf of Sissa Medialab. Original content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 licence. Any further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI. Received: July 30, 2020; Accepted: October 18, 2020; Published: December 3, 2020. The ProtoDUNE-SP detector was constructed and operated on the CERN Neutrino Platform. We thank the CERN management for providing the infrastructure for this experiment and gratefully acknowledge the support of the CERN EP, BE, TE, EN, IT and IPT Departments for NP04/ProtoDUNE-SP. This document was prepared by the DUNE collaboration using the resources of the Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), a U.S. Department of Energy, Office of Science, HEP User Facility. Fermilab is managed by Fermi Research Alliance, LLC (FRA), acting under Contract No. DE-AC02-07CH11359. This work was supported by CNPq, FAPERJ, FAPEG and FAPESP, Brazil; CFI, IPP and NSERC, Canada; CERN; MŠMT, Czech Republic; ERDF, H2020-EU and MSCA, European Union; CNRS/IN2P3 and CEA, France; INFN, Italy; FCT, Portugal; NRF, South Korea; CAM,Fundación "La Caixa" and MICINN, Spain; SERI and SNSF, Switzerland; TÜBITAK, Turkey; The Royal Society and UKRI/STFC, United Kingdom; DOE and NSF, United States of America. This research used resources of the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), a U.S. Department of Energy Office of Science User Facility operated under Contract No. DE-AC02-05CH11231.

Attached Files

Published - Abi_2020_J._Inst._15_P12004.pdf

Submitted - 2007.06722.pdf

Files

Abi_2020_J._Inst._15_P12004.pdf

Files (64.7 MB)

Name	Size	Download all
Abi_2020_J._Inst._15_P12004.pdf md5:4db2cf2d316c8e94324238460a7bda6a	33.2 MB	Preview Download
2007.06722.pdf md5:72c35eb15e8fd73d88711d22d16b093e	31.5 MB	Preview Download

Additional details

	All versions	This version
Views	0	0
Downloads	0	0
Data volume	0 Bytes	0 Bytes