Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector Conceptual Design Report

Abstract

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is an international, world-class experiment aimed at exploring fundamental questions about the universe that are at the forefront of astrophysics and particle physics research. DUNE will study questions pertaining to the preponderance of matter over antimatter in the early universe, the dynamics of supernovae, the subtleties of neutrino interaction physics, and a number of beyond the Standard Model topics accessible in a powerful neutrino beam. A critical component of the DUNE physics program involves the study of changes in a powerful beam of neutrinos, i.e., neutrino oscillations, as the neutrinos propagate a long distance. The experiment consists of a near detector, sited close to the source of the beam, and a far detector, sited along the beam at a large distance. This document, the DUNE Near Detector Conceptual Design Report (CDR), describes the design of the DUNE near detector and the science program that drives the design and technology choices. The goals and requirements underlying the design, along with projected performance are given. It serves as a starting point for a more detailed design that will be described in future documents.

Description

Keywords

Citation

Abud, A.A.; Abi, B.; Acciarri, R.; Acero, M.A.; Adamov, G.; Adams, D.; Adinolfi, M.; Aduszkiewicz, A.; Ahmad, Z.; Ahmed, J.; Alion, T.; Monsalve, S.A.; Alrashed, M.; Alt, C.; Alton, A.; Amedo, P.; Anderson, J.; Andreopoulos, C.; Andrews, M.P.; Andrianala, F.; Andringa, S.; Anfimov, N.; 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.; Ayala-Torres, M.; Azfar, F.; Back, A.; Back, H.; Back, J.J.; Backhouse, C.; Baesso, P.; Bagaturia, I.; Bagby, L.; Balasubramanian, S.; Baldi, P.; Baller, B.; Bambah, B.; Barao, F.; Barenboim, G.; Barker, G.J.; Barkhouse, W.; Barnes, C.; Barr, G.; Monarca, J.B.; Barros, N.; Barrow, J.L.; Basharina-Freshville, A.; Bashyal, A.; Basque, V.; Belchior, E.; Battat, J.B.R.; Battisti, F.; Bay, F.; Alba, J.L.B.; Beacom, J.F.; Bechetoille, E.; Behera, B.; Bellantoni, L.; Bellettini, G.; Bellini, V.; Beltramello, O.; Belver, D.; Benekos, N.; Neves, F.B.; Berkman, S.; Bernardini, P.; Berner, R.M.; Berns, H.; Bertolucci, S.; Betancourt, M.; Rodríguez, A.B.; Bhattacharjee, M.; Bhuller, S.; Bhuyan, B.; Biagi, S.; Bian, J.; Biassoni, M.; Biery, K.; Bilki, B.; Bishai, M.; Bitadze, A.; Blake, A.; Blaszczyk, F.D.M.; Blazey, G.C.; Blucher, E.; Boissevain, J.; Bolognesi, S.; Bolton, T.; Bomben, L.; Bonesini, M.; Bongrand, M.; Bonini, F.; Booth, A.; Booth, C.; Bordoni, S.; Borkum, A.; Boschi, T.; Bostan, N.; Bour, P.; Bourgeois, C.; 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.; Brunetti, M.; Buchanan, N.; Budd, H.; Cagnoli, I.; Caiulo, D.; Calafiura, P.; Calcutt, J.; Calin, M.; Calvez, S.; Calvo, E.; Caminata, A.; Campanelli, M.; Cankocak, K.; Caratelli, D.; Carini, G.; Carlus, B.; Carniti, P.; Terrazas, I.C.; Carranza, H.; Carroll, T.; Forero, J.F.C.; Castillo, A.; Castromonte, C.; Catano-Mur, E.; Cattadori, C.; Cavalier, F.; Cavanna, F.; Centro, S.; Cerati, G.; Cervelli, A.; Villanueva, A.C.; Chalifour, M.; Chappell, A.; Chardonnet, E.; Charitonidis, N.; Chatterjee, A.; Chattopadhyay, S.; Chen, H.; Chen, M.; Chen, Y.; Chen, Z.; Cherdack, D.; Chi, C.; Childress, S.; Chiriacescu, A.; Chisnall, G.; Cho, K.; Choate, S.; Chokheli, D.; Choubey, S.; Christensen, A.; Christian, D.; Christodoulou, G.; Chukanov, A.; Church, E.; Cicero, V.; Clarke, P.; Coan, T.E.; Cocco, A.G.; Coelho, J.A.B.; Conley, E.; Conley, R.; Conrad, J.M.; Convery, M.; Copello, S.; Corwin, L.; Cremaldi, L.; Cremonesi, L.; Crespo-Anadón, J.I.; Cristaldo, E.; Cross, R.; Cudd, A.; Cuesta, C.; Cui, Y.; Cussans, D.; Dabrowski, M.; Dalager, O.; Motta, H.D.; Peres, L.D.S.; David, C.; David, Q.; Davies, G.S.; Davini, S.; Dawson, J.; De, K.; Almeida, R.M.D.; Debbins, P.; Bonis, I.D.; Decowski, M.P.; Gouvêa, A.D.; Holanda, P.C.D.; Astiz, I.L.D.I.; Deisting, A.; Jong, P.D.; Delbart, A.; Delepine, D.; Delgado, M.; Dell’Acqua, A.; Lurgio, P.D.; Neto, J.R.T.M.; DeMuth, D.M.; Dennis, S.; Densham, C.; Deptuch, G.W.; Roeck, A.D.; Romeri, V.D.; Souza, G.D.; Dharmapalan, R.; Diaz, F.; Díaz, J.S.; Domizio, S.D.; Giulio, L.D.; Ding, P.; Noto, L.D.; Distefano, C.; Diurba, R.; Diwan, M.; Djurcic, Z.; Dokania, N.; Dolan, S.; Dolinski, M.J.; Domine, L.; Douglas, D.; Douillet, D.; Drake, G.; Drielsma, F.; Duchesneau, D.; Duffy, K.; Dunne, P.; Durkin, T.; Duyang, H.; Dvornikov, O.; Dwyer, D.A.; Dyshkant, A.S.; Eads, M.; Earle, A.; Edmunds, D.; Eisch, J.; Emberger, L.; Emery, S.; Ereditato, A.; Escobar, C.O.; Eurin, G.; Evans, J.J.; Ewart, E.; Ezeribe, A.C.; Fahey, K.; Falcone, A.; Farnese, C.; Farzan, Y.; Felix, J.; Silva, M.F.C.; Fernandez-Martinez, E.; Menendez, P.F.; Ferraro, F.; Fields, L.; Filthaut, F.; Fiorentini, A.; Fitzpatrick, R.S.; Flanagan, W.; Fleming, B.; Flight, R.; Forero, D.V.; 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.; Gabrielli, A.; Gago, A.; Gallagher, H.; Gallas, A.; Gallego-Ros, A.; Gallice, N.; Galymov, V.; Gamberini, E.; Gamble, T.; Gandhi, R.; Gandrajula, R.; Gao, F.; 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.; Gilligan, S.; Girerd, C.; Giri, A.K.; Gnani, D.; Gogota, O.; Gold, M.; Gollapinni, S.; Gollwitzer, K.; Gomes, R.A.; Bermeo, L.V.G.; Fajardo, L.S.G.; Gonnella, F.; Gonzalez-Cuevas, J.A.; Gonzalez-Diaz, D.; Gonzalez-Lopez, M.; Goodman, M.C.; Goodwin, O.; Goswami, S.; Gotti, C.; Goudzovski, E.; Grace, C.; Graham, M.; Gran, R.; Granados, E.; Granger, P.; Grant, A.; Grant, C.; Gratieri, D.; Green, P.; Greenler, L.; Greer, J.; Griffith, W.C.; Groh, M.; Grudzinski, J.; Grzelak, K.; Gu, W.; Guarino, V.; Guenette, R.; Guerard, E.; Guerzoni, M.; Guglielmi, A.; Guo, B.; Guthikonda, K.K.; Gutierrez, R.; Guzowski, P.; Guzzo, M.M.; Gwon, S.; Habig, A.; Hadavand, H.; Haenni, R.; Hahn, A.; Haiston, J.; Hamacher-Baumann, P.; Hamernik, T.; Hamilton, P.; Han, J.; Harris, D.A.; Hartnell, J.; Harton, J.; Hasegawa, T.; Hasnip, C.; Hatcher, R.; Hatfield, K.W.; Hatzikoutelis, A.; Hayes, C.; Hazen, E.; Heavey, A.; Heeger, K.M.; Heise, J.; Hennessy, K.; Henry, S.; Morquecho, M.A.H.; Herner, K.; Hertel, L.; 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.; Huang, J.; Huang, J.; Hugon, J.; Iles, G.; Ilic, N.; Iliescu, A.M.; Illingworth, R.; Ingratta, G.; Ioannisian, A.; Isenhower, L.; Itay, R.; Izmaylov, A.; Jackson, S.; Jain, V.; James, E.; Jargowsky, B.; Jediny, F.; Jena, D.; Jeong, Y.S.; Jesús-Valls, C.; Ji, X.; Jiang, L.; Jiménez, S.; Jipa, A.; Johnson, R.; Johnston, N.; Jones, B.; Jones, S.B.; Judah, M.; Jung, C.K.; Junk, T.; Jwa, Y.; Kabirnezhad, M.; Kaboth, A.; Kadenko, I.; Kakorin, I.; Kamiya, F.; Kaneshige, N.; Karagiorgi, G.; Karaman, 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.; Kemularia, O.; 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.; Kolupaeva, L.; 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, P.; Kumar, R.; Kunze, P.; Kurita, N.; Kuruppu, C.; Kus, V.; Kutter, T.; Lambert, A.; Land, B.; Lande, K.; Lane, C.E.; Lang, K.; Langford, T.; Larkin, J.; Lasorak, P.; Last, D.; Lastoria, C.; Laundrie, A.; Laurenti, G.; Lawrence, A.; Lazanu, I.; LaZur, R.; Le, T.; Leardini, S.; Learned, J.; LeBrun, P.; LeCompte, T.; Miotto, G.L.; Lehnert, R.; Oliveira, M.A.L.; Leitner, M.; Li, L.; Li, S.W.; Li, T.; Li, Y.; Liao, H.; Lin, C.S.; Lin, Q.; Lin, S.; Lister, A.; Littlejohn, B.R.; Liu, J.; Lockwitz, S.; Loew, T.; Lokajicek, M.; Lomidze, I.; Long, K.; Loo, K.; Lorca, D.; Lord, T.; LoSecco, J.M.; Louis, W.C.; Lu, X.G.; Luk, K.B.; Luo, X.; Lurkin, N.; Lux, T.; Luzio, V.P.; MacFarlane, D.; Machado, A.A.; Machado, P.; Macias, C.T.; Macier, J.R.; Maddalena, A.; Madera, A.; Madigan, P.; Magill, S.; Mahn, K.; Maio, A.; Major, A.; Maloney, J.A.; Mandrioli, G.; Mandujano, R.C.; Maneira, J.; Manenti, L.; Manly, S.; Mann, A.; Manolopoulos, K.; Plata, M.M.; Manyam, V.N.; Manzanillas, L.; Marchan, M.; Marchionni, A.; Marciano, W.; Marfatia, D.; Mariani, C.; Maricic, J.; Marie, R.; Marinho, F.; Marino, A.D.; Marsden, D.; Marshak, M.; Marshall, C.M.; Marshall, J.; Marteau, J.; Martin-Albo, J.; Martinez, N.; Caicedo, D.A.M.; Martynenko, S.; Mason, K.; Mastbaum, A.; Masud, M.; Matsuno, S.; Matthews, J.; Mauger, C.; Mauri, N.; Mavrokoridis, K.; Mawby, I.; Mazza, R.; Mazzacane, A.; Mazzucato, E.; McAskill, T.; McCluskey, E.; McConkey, N.; McFarland, K.S.; McGrew, C.; McNab, A.; Mefodiev, A.; Mehta, P.; Melas, P.; Mena, O.; Menary, S.; Mendez, H.; Méndez, D.P.; Menegolli, A.; Meng, G.; Messier, M.D.; Metcalf, W.; Mettler, T.; Mewes, M.; Meyer, H.; Miao, T.; Michna, G.; Miedema, T.; Migenda, J.; Mikola, V.; 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.; Bueno, L.M.; Montanari, A.; Montanari, C.; Montanari, D.; Montagna, E.; Zetina, L.M.M.; Moon, J.; Mooney, M.; Moor, A.F.; Moreno, D.; 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.; Munford, D.; Muramatsu, H.; Murphy, S.; Musser, J.; Nachtman, J.; Nagu, S.; Nalbandyan, M.; Nandakumar, R.; Naples, D.; Narita, S.; Navas-Nicolás, D.; Navrer-Agasson, A.; Nayak, N.; Nebot-Guinot, M.; Negishi, K.; Nelson, J.K.; Nesbit, J.; Nessi, M.; Newbold, D.; Newcomer, M.; Newhart, D.; Newton, H.; Niccolo, M.; Nichol, R.; Nicolas-Arnaldos, F.; Nicoletta, M.; Niner, E.; Nishimura, K.; Norman, A.; Norrick, A.; Northrop, R.; Novella, P.; Nowak, J.A.; Oberling, M.; Ochoa-Ricoux, J.P.; Campo, A.O.D.; Olivier, A.; Olshevskiy, A.; Onel, Y.; Onishchuk, Y.; Ott, J.; Pagani, L.; Pakvasa, S.; Palacio, G.; Palamara, O.; Palestini, S.; Paley, J.M.; Pallavicini, M.; Palomares, C.; Palomino-Gallo, J.L.; 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.; 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.; Plunkett, R.; Poling, R.; Pons, X.; Poonthottathil, N.; Poppi, F.; Pordes, S.; Porter, J.; Potekhin, M.; Potenza, R.; Potukuchi, B.V.K.S.; Pozimski, J.; Pozzato, M.; Prakash, S.; Prakash, T.; Prince, S.; Pugnere, D.; Qian, X.; Bazetto, M.C.Q.; Raaf, J.L.; Radeka, V.; Rademacker, J.; Radics, B.; Rafique, A.; Raguzin, E.; Rai, M.; Rajaoalisoa, M.; Rakhno, I.; Rakotonandrasana, A.; Rakotondravohitra, L.; Ramachers, Y.A.; Rameika, R.; Delgado, M.A.R.; Ramson, B.; Rappoldi, A.; Raselli, G.; Ratoff, P.; Raut, S.; Razakamiandra, R.F.; Real, J.S.; Rebel, B.; Reggiani-Guzzo, M.; Rehak, T.; Reichenbacher, J.; Reitzner, S.D.; Sfar, H.R.; Renshaw, A.; Rescia, S.; Resnati, F.; Reynolds, A.; Riccio, C.; Riccobene, G.; Rice, L.C.J.; Ricol, J.; Rigamonti, A.; Rigaut, Y.; Rivera, D.; Rochester, L.; Roda, M.; Rodrigues, P.; Alonso, M.J.R.; Bonilla, E.R.; Rondon, J.R.; Rosauro-Alcaraz, S.; Rosenberg, M.; Rosier, P.; Roskovec, B.; Rossella, M.; Rout, J.; Roy, P.; Roy, S.; Rubbia, A.; Rubbia, C.; Rubio, F.C.; Russell, B.; Ruterbories, D.; Saakyan, R.; Sacerdoti, S.; Safford, T.; Sahay, R.; Sahu, N.; Sala, P.; Samios, N.; Samoylov, O.; 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.; Schaffer, T.; Schellman, H.; Schlabach, P.; Schmitz, D.; Scholberg, K.; Schukraft, A.; Segreto, E.; Sensenig, J.; Seong, I.; Sergi, A.; Sgalaberna, D.; Shaevitz, M.H.; Shafaq, S.; Shamma, M.; Sharankova, R.; Sharma, H.R.; Sharma, R.; Shaw, T.; Shepherd-Themistocleous, C.; Shin, S.; Shooltz, D.; Shrock, R.; Simard, L.; Simon, F.; Simos, N.; Sinclair, J.; Sinev, G.; Singh, J.; Singh, J.; Singh, V.; Sipos, R.; Sippach, F.W.; Sirri, G.; Sitraka, A.; Siyeon, K.; VIII, K.S.; Smith, A.; Smith, E.; Smith, P.; Smolik, J.; Smy, M.; Snider, E.L.; Snopok, P.; Nunes, M.S.; Sobel, H.; Soderberg, M.; Salinas, C.J.S.; Söldner-Rembold, S.; Soleti, 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.; Stanley, R.; Stein, R.; Steiner, H.M.; Stewart, J.; Stillwell, B.; Stock, J.; Stocker, F.; Stokes, T.; Strait, M.; Strauss, T.; Striganov, S.; Stuart, A.; Suarez, J.G.; Sullivan, H.; Summers, D.; Surdo, A.; Susic, V.; Suter, L.; Sutera, C.M.; Svoboda, R.; Szczerbinska, B.; Szelc, A.M.; Talaga, R.; Tanaka, H.A.; Oregui, B.T.; 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.; Todd, J.; Tonazzo, A.; Torbunov, D.; Torti, M.; Tortola, M.; Tortorici, F.; Totani, D.; Toups, M.; Touramanis, C.; Tosi, N.; Travaglini, R.; Trevor, J.; Trilov, S.; 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.; Uzunyan, S.; Vagins, M.R.; Vahle, P.; Valdiviesso, G.A.; Valencia, E.; Valerio, P.; Vallari, Z.; Valle, J.W.F.; Vallecorsa, S.; Berg, R.V.; Water, R.G.V.; Varanini, F.; Vargas, D.; Varner, G.; Vasel, J.; Vasina, S.; Vasseur, G.; Vaughan, N.; Vaziri, K.; Ventura, S.; Verdugo, A.; Vergani, S.; Vermeulen, M.A.; Verzocchi, M.; Vicenzi, M.; Souza, H.V.; Vignoli, C.; Vilela, C.; Viren, B.; Vrba, T.; Wachala, T.; Waldron, A.V.; Wallbank, M.; Wang, H.; Wang, J.; Wang, L.; Wang, M.H.L.S.; 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.; White, A.; Whitehead, L.H.; Whittington, D.; Wilking, M.J.; Wilkinson, C.; Williams, Z.; Wilson, F.; Wilson, R.J.; Wolcott, J.; Wongjirad, T.; Wood, A.; Wood, K.; Worcester, E.; Worcester, M.; Wret, C.; Wu, W.; Wu, W.; Xiao, Y.; Yandel, E.; Yang, G.; Yang, K.; Yang, S.; Yang, T.; Yankelevich, A.; Yershov, N.; Yonehara, K.; Young, T.; Yu, B.; Yu, H.; Yu, J.; Yuan, W.; Zaki, R.; Zalesak, J.; Zambelli, L.; Zamorano, B.; Zani, A.; Zazueta, L.; Zeit, G.; Zeller, G.P.; Zennamo, J.; Zeug, K.; Zhang, C.; Zhao, M.; Zhivun, E.; Zhu, G.; Zilberman, P.; Zimmerman, E.D.; Zito, M.; Zucchelli, S.; Zuklin, J.; Zutshi, V.; Zwaska, R.; On behalf of the DUNE Collaboration. Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector Conceptual Design Report. Instruments 2021, 5, 31.