ProtoDUNE phase I

Para adquirir experiencia en la construcción y operación de detectores de LAr a gran escala, el CERN está llevando a cabo un programa de I+D operando dos prototipos para probar sus procedimientos de diseño, montaje e instalación, así como la adquisición, almacenamiento, procesamiento y análisis de datos en condiciones de haz y con datos de rayos cósmicos. Ambos prototipos son LArTPCs, pero emplean diferentes tecnologías de detección, un prototipo (ProtoDUNE-SP) tiene deriva o “drift” horizontal, mientras que el otro (ProtoDUNE-DP) tiene una deriva vertical más larga que supone un reto tecnológico pero permite la construcción de un gran volumen activo haciendo eficiente uso del volumen de LAr.

Durante la primera fase de funcionamiento de los detectores ProtoDUNE, de 2018 a 2020, se probaron las tecnologías de fase única “single phase” (SP) y de fase doble o “dual phase” (DP). El grupo de neutrinos del CIEMAT fue responsable del diseño, instalación y operación del sistema de detección de fotones de ProtoDUNE-DP y lideró el análisis de datos y simulaciones de luz de centelleo.

ProtoDUNE - Dual Phase

El detector ProtoDUNE-DP se operó de 2019 a 2020 en la plataforma CERN Neutrino para demostrar la tecnología LArTPC DP a gran escala como prototipo para uno de los módulos detectores lejanos de DUNE. ProtoDUNE-DP tiene un volumen activo de 6x6x6 m³ correspondiente a una masa activa de 300 t (masa LAr total de 750 t, siendo el DP LArTPC más grande jamás operado). En ProtoDUNE-DP, el campo de deriva eléctrica está orientado en dirección vertical, lo que hace que los electrones se desplacen verticalmente hacia el ánodo en la parte superior. Después, la carga de ionización se extrae, amplifica y detecta en argón gaseoso sobre la superficie del líquido mediante los planos de lectura de carga. La tecnología DP permite una buena relación señal/ruido y una buena resolución espacial que permite la construcción de grandes volúmenes activos haciendo un uso eficiente del volumen LAr. 

La señal de luz de centelleo es recolectada por un sistema de detección de luz (PDS) construido a partir de tubos fotomultiplicadores (PMT). Los objetivos del PDS son proporcionar el disparo de la señal y determinar con precisión el momento de interacción, con capacidad para realizar medidas calorimétricas e identificación de partículas. 

El PDS de ProtoDUNE-DP estaba formado por 36 PMTs criogénicos R5912-02MOD de 8 pulgadas de Hamamatsu, colocados debajo del cátodo. Los PMT se caracterizaron completamente en el CIEMAT antes de su instalación [JINST 13 (2018) T10006, JINST 15 (2020) P09023]. Los grupos CIEMAT e IFAE desarrollaron un sistema de calibración de luz para monitorear el rendimiento de los PMTs y obtener una respuesta de PMT ecualizada [JINST 14 (2019) T04001]. Además, se desarrolló un software de calibración y adquisición de datos de luz dedicado para ProtoDUNE-DP en CIEMAT [IEEE TNS 68 (2021) 2334 (2021)].

ProtoDUNE-DP PDS formado por 36 PMTs instalados en la parte inferior del criostato en el CERN. El PMT de la izquierda presenta un recubrimiento TPB mientras que el de la derecha una hoja PEN como desplazador de longitud de onda.

Realizamos el análisis de los datos tomados con el sistema de detección de luz para evaluar su rendimiento con un enfoque particular en los diferentes desplazadores de longitud de onda, como PEN y TPB, y el uso de LAr dopado con Xe, considerando su uso futuro en grandes LArTPCs. Se analizaron los procesos de producción y propagación de la luz de centelleo y se realizó una comparación de la simulación con los datos, mejorando la comprensión de las propiedades del argón líquido [arXiv:2203.16134, PhD Thesis A. Gallego, PhD Thesis J. Soto]. 

Como paso previo a ProtoDUNE-DP, se desarrolló WA105, también conocido como detector (3x1x1) m^³. Fue una LArTPC DP de 4,2 t construida y operado con éxito en el CERN en 2017. Los grupos CIEMAT e IFAE estuvieron a cargo del Sistema de Detección de Fotones compuesto principalmente por 5 PMTs (Hamamatsu R5912-MOD20). El demostrador WA105 registró datos de rayos cósmicos en 2017 y los grupos CIEMAT y LAPP lideraron el estudio de la producción, propagación y captación de luz de centelleo [JINST 16 (2021) P03007, PhD Thesis C. Lastoria].

(Izquierda) Vista interna del criostato protoDUNE-DP durante la configuración de la jaula de campo en el área EHN1 del CERN. (Derecha) Dibujo del detector ProtoDUNE-DP con 36 PMTs colocados en la parte inferior.

ProtoDUNE phase II

ProtoDUNE - Horizontal Drift

El diseño final de la tecnología Horizontal Drift (HD) se probará en 2024 en la fase II de ProtoDUNE. Se ha instalado una actualización del Sistema de Detección de Luz basado en la novedosa tecnología X-ARAPUCA. Se trata de una mejora del diseño original de ARAPUCA, que conserva el concepto principal de captura de fotones dentro de un módulo altamente reflectante. Se hace uso de una barra con propiedades ópticas que cambian la longitud de onda de la luz incidente para aumentar la probabilidad de ser recolectada con una matriz de fotomultiplicadores de silicio.

El CIEMAT contribuye probando el Sistema de Detección de Luz, a temperatura criogénica. Se han medido llos valores de ganancia y corriente oscura de más de 70 módulos X-ARAPUCA con el fin de validarlos para su instalación en ProtoDUNE fase II.

Laboratorio del CIEMAT donde se realiza el montaje y ensayo de los X-Arapucas.

Además de esta caracterización, estamos trabajando en la determinación de la eficiencia de X-ARAPUCAs. Para ello hemos desarrollado un dispositivo experimental para sumergir el X-ARAPUCA junto con detectores de referencia y una fuente alfa en LAr. Todo se enfría con nitrógeno líquido (LN₂) a sobrepresión.

ProtoDUNE - Vertical Drift

Para el segundo módulo se va a utilizaar una tecnología alternativa de módulo de fase única con deriva vertical (VD), como evolución del diseño de doble fase pero sin fase gaseosa. Esto se conoce como el diseño Vertical-Drift. Este enfoque se está probando para demostrar su viabilidad y hay un esfuerzo dedicado en el CERN para construir un prototipo y validar el diseño. En el CIEMAT trabajamos en la optimización del diseño del sistema de detección de fotones para ProtoDUNE-VD, midiendo la eficiencia de detección de luz de las X-ARAPUCAs del VD y somos responsables del sistema de monitorización de luz.