ProtoDUNE单相位实验中液氩的氙掺杂研究

深地下中微子实验（DUNE）将是下一代长基线中微子实验。其远探测器设计为四个液氩时间投影室（LAr-TPC）模块的组合，每个模块含17 kt液氩。首个远探测器技术的开发与验证通过ProtoDUNE单相位（ProtoDUNE-SP）进行，这是位于CERN中微子平台的770 t LAr-TPC。对DUNE而言至关重要的是光子探测系统，它将确保非束流事件——质子衰变、超新星中微子爆发和超出标准模型（BSM）的搜寻——的触发，并改善中微子束流事件的时间与量能测量。用氙掺杂液氩是一种已知技术，可将氩发出的光（128 nm）移至更长波长（178 nm）以易于探测。在LAr-TPC中进行过的最大规模氙掺杂测试即在ProtoDUNE-SP中开展。2020年2月至5月，逐渐注入递增量的氙，以补偿因空气污染导致的光损失。利用ProtoDUNE-SP光子探测系统（PDS）及运行前安装的专用装置研究了如此大型TPC的响应。前者可研究相对于径迹位置的光收集效率，后者可区分氙光与液氩光。光移机制即使在低氙浓度（质量分数<20 ppm）下也证明高效，且可恢复被污染物淬灭的光。远离探测平面的光收集得到改善，增强了光子探测器沿漂移方向的响应均匀性，并证实178 nm光子相对于128 nm光子具有更长的瑞利散射长度。对TPC电荷收集的监测证明，高达20 ppm的氙不影响其性能。