Experimento WA105 (ProtoDUNE-DP)

Con el fin de adquirir experiencia en la construcción y operación de detectores de LAr a gran escala, actualmente se está llevando a cabo un programa de I+D en el CERN. Dicho programa operará dos prototipos en el 2018, con el objetivo específico de probar los procedimientos de diseño, ensamblaje e instalación de prototipos; las operación de los detectores; así como la adquisición, almacenamiento, procesamiento y análisis de datos en condiciones de haz y con datos de rayos cósmicos. Los dos prototipos emplearán LAr TPC como tecnología de detección, con un prototipo que solo utiliza argón líquido, llamado ProtoDUNE Single-Phase, y el otro que usa argón tanto en estado gaseoso como líquido, de ahí el nombre de ProtoDUNE Dual-Phase (DP). Ambos detectores tendrán tamaños similares.

En particular, ProtoDUNE-DP, también conocido como WA105, tendrá un volumen activo de 6×6×6 m3 y una masa activa de 300 t. En ProtoDUNE-DP, la carga se extrae, amplifica y detecta en argón gaseoso sobre la superficie del líquido, lo que permite una mejor resolución, un umbral de energía más bajo y una mejor reconstrucción de los eventos.

La señal de luz se usa como disparador para eventos que no son del haz, medida del tiempo para todo tipo de eventos, rechazo del fondo cósmico y también existe la posibilidad de realizar medidas de calorimetría e identificación de partículas. El sistema de detección de luz de ProtoDUNE-DP está formado por 36 fotomultiplicadores (PMTs) criogénicos de 8 pulgadas colocados en la parte inferior del detector. Como modificador de longitud de onda, los PMTs se recubren con tetrafenilbutadieno (TPB). Cada fotomultiplicador tiene una base de división de tensión soldada. Además, un sistema de calibración de luz controla el funcionamiento óptimo de los PMTs, y un sistema de adquisción externo registra la señal de luz.

(Izquierda) Vista interna del criostato protoDUNE-DP instalado en el área EHN1 en el CERN. (Derecha) Dibujo del detector WA105 con 36 PMTs colocados en la parte inferior del detector

Siguiendo un progreso por etapas, antes de la construcción de ProtoDUNE-DP, se ensambló en el CERN el demostrador WA105-3×1×1 m3, una TPC de LAr de doble fase. Su construcción y operación tienen el objetivo de probar soluciones escalables para los aspectos cruciales de esta tecnología: la ultra alta pureza de argón en un tanque no evacuable, el sistema de lectura de carga de doble fase de gran área y la electrónica criogénica. Cinco PMTs recubiertos con TPB, se fijaron debajo del cátodo. Estos PMTs son sensibles a la luz de centelleo de 128 nm del argón y proporcionan el tiempo de referencia para la deriva y el disparador. El detector tomó datos de rayos cósmicos durante 2017 y los resultados están siendo analizados.

(Izquierda) Diagrama del demostrador WA105-3×1×1 m3 de doble de TPC de LAr. (Centro) Instalación del prototipo WA105-3×1×1 m3. (Derecha) PMTs instalados en la parte inferior del criostato WA105-3×1×1 m3

 

También trabajamos en I+D de detectores de líquidos criogénicos a gran escala, participando en el Proyecto Europeo  AIDA-2020 (Advanced European Infrastructures for Detectors and Accelerators), financiado por el Programa Europeo Horizonte 2020.

Contribuciones del CIEMAT a WA105

Cryogenic test facility at CIEMAT to test 10 PMT at the same time inside a vessel filled with LN2.El CIEMAT, junto con el IFAE, es responsable del sistema de detección de luz del experimento ProtoDUNE-DP, lo que incluye la adquisición y caracterización de 40 fotomultiplicadores criogénicos de 8 pulgadas, el recubrimiento para la modificación de la longitud de onda, el diseño y producción de los divisores de tensión, la producción de la mecánica asociada, el sistema de calibración de luz y la instalación y puesta en marcha final del sistema de detección de luz en el detector. El CIEMAT también contribuye al desarrollo del software de simulación y reconstrucción para la lectura de carga y de luz y el estudio de las interacciones de baja energía. El grupo está participando en el análisis de datos de muones cósmicos tomados con el demostrador WA105-3×1×1 m3 y en simulaciones de la señal de luz de ProtoDUNE-DP.

Se ha construido una instalación para pruebas criogénicas en el CIEMAT donde los 40 PMTs se han caracterizado a temperatura ambiente y en nitrógeno líquido dentro de un tanque de 300 litros. La corriente oscura y la ganancia en función del voltaje aplicado se han medido para cada PMT. La respuesta de los PMTs con respecto a la cantidad y frecuencia de la luz recibida también se ha estudiado. Una publicación con estos resultados está siendo preparada.

Un sistema de calibración de los PMTs integrado en el detector ProtoDUNE-DP ha sido diseñado para calibrar la respuesta de los PMT instalados dentro del volumen de LAr. El objetivo es determinar la ganancia de cada PMT y estudiar su estabilidad. Se instalará una fibra óptica en cada PMT para proporcionar una cantidad configurable de luz mediante una fuente LED.

El grupo CIEMAT tiene responsabilidades importantes dentro del experimento WA105 como líderes del subgrupo Photon Detection y miembros del Technical Coordination Group y la Dissemination Board.

Instalación para las pruebas criogénicas del CIEMAT para probar 10 PMTs al mismo tiempo dentro de un recipiente lleno de nitrógeno líquido