We present the first high-resolution sub-mm survey of both dust and gas for a large population of protoplanetary disks. Characterizing fundamental properties of protoplanetary disks on a statistical level is critical to understanding how disks evolve into the diverse exoplanet population. We use ALMA to survey 89 protoplanetary disks around stars with $M_{\ast}>0.1~M_{\odot}$ in the young (1--3~Myr), nearby (150--200~pc) Lupus complex. Our observations cover the 890~$\mu$m continuum and the $^{13}$CO and C$^{18}$O 3--2 lines. We use the sub-mm continuum to constrain $M_{\rm dust}$ to a few Martian masses (0.2--0.4~$M_{\oplus}$) and the CO isotopologue lines to constrain $M_{\rm gas}$ to roughly a Jupiter mass (assuming ISM-like $\rm {[CO]/[H_2]}$ abundance). Of 89 sources, we detect 62 in continuum, 36 in $^{13}$CO, and 11 in C$^{18}$O at $>3\sigma$ significance. Stacking individually undetected sources limits their average dust mass to $\lesssim6$ Lunar masses (0.03~$M_{\oplus}$), indicating rapid evolution once disk clearing begins. We find a positive correlation between $M_{\rm dust}$ and $M_{\ast}$, and present the first evidence for a positive correlation between $M_{\rm gas}$ and $M_{\ast}$, which may explain the dependence of giant planet frequency on host star mass. The mean dust mass in Lupus is 3$\times$ higher than in Upper Sco, while the dust mass distributions in Lupus and Taurus are statistically indistinguishable. Most detected disks have $M_{\rm gas}\lesssim1~M_{\rm Jup}$ and gas-to-dust ratios $<100$, assuming ISM-like $\rm {[CO]/[H_2]}$ abundance; unless CO is very depleted, the inferred gas depletion indicates that planet formation is well underway by a few Myr and may explain the unexpected prevalence of super-Earths in the exoplanet population.

A major goal of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) is to make accurate images with resolutions of tens of milliarcseconds, which at submillimeter (submm) wavelengths requires baselines up to ~15 km. To develop and test this capability, a Long Baseline Campaign (LBC) was carried out from September to late November 2014, culminating in end-to-end observations, calibrations, and imaging of selected Science Verification (SV) targets. This paper presents an overview of the campaign and its main results, including an investigation of the short-term coherence properties and systematic phase errors over the long baselines at the ALMA site, a summary of the SV targets and observations, and recommendations for science observing strategies at long baselines. Deep ALMA images of the quasar 3C138 at 97 and 241 GHz are also compared to VLA 43 GHz results, demonstrating an agreement at a level of a few percent. As a result of the extensive program of LBC testing, the highly successful SV imaging at long baselines achieved angular resolutions as fine as 19 mas at ~350 GHz. Observing with ALMA on baselines of up to 15 km is now possible, and opens up new parameter space for submm astronomy.

An abundance decrease in carbon- and oxygen-bearing species relative to dust has been frequently found in planet-forming disks, which can be attributed to an overall reduction of gas mass. However, in the case of TW Hya, the only disk with gas mass measured directly with HD rotational lines, the inferred gas mass ( solar mass) is significantly below the directly measured value ( solar mass). We show that this apparent conflict can be resolved if the elemental abundances of carbon and oxygen are reduced in the upper layers of the outer disk but are normal elsewhere (except for a possible enhancement of their abundances in the inner disk). The implication is that in the outer disk, the main reservoir of the volatiles (CO, water, ...) resides close to the midplane, locked up inside solid bodies that are too heavy to be transported back to the atmosphere by turbulence. An enhancement in the carbon and oxygen abundances in the inner disk can be caused by inward migration of these solid bodies. This is consistent with estimates based on previous models of dust grain dynamics. Indirect measurements of the disk gas mass and disk structure from species such as CO will thus be intertwined with the evolution of dust grains, and possibly also with the formation of planetesimals.

We performed very deep searches for 2 ground-state water transitions in 13 protoplanetary disks with the HIFI instrument on-board the Herschel Space Observatory, with integration times up to 12 hours per line. Two other water transitions that sample warmer gas were also searched for with shallower integrations. The detection rate is low, and the upper limits provided by the observations are generally much lower than predictions of thermo-chemical models with canonical inputs. One ground-state transition is newly detected in the stacked spectrum of AA Tau, DM Tau, LkCa 15, and MWC 480. We run a grid of models to show that the abundance of gas-phase oxygen needs to be reduced by a factor of at least ~100 to be consistent with the observational upper limits (and positive detections) if a dust-to-gas mass ratio of 0.01 were to be assumed. As a continuation of previous ideas, we propose that the underlying reason for the depletion of oxygen (hence the low detection rate) is the freeze-out of volatiles such as water and CO onto dust grains followed by grain growth and settling/migration, which permanently removes these gas-phase molecules from the emissive upper layers of the outer disk. Such depletion of volatiles is likely ubiquitous among different disks, though not necessarily to the same degree. The volatiles might be returned back to the gas phase in the inner disk (within about 15 AU), which is consistent with current constraints. Comparison with studies on disk dispersal due to photoevaporation indicates that the timescale for volatile depletion is shorter than that of photoevaporation.

The interplay between T\,Tauri stars and their circumstellar disks, and how this impacts the onset of planet formation has yet to be established. In the last years, major progress has been made using instrumentation that probes the dust structure in the mid-plane and at the surface of protoplanetary disks. Observations show a great variety of disk shapes and substructures that are crucial for understanding planet formation. We studied a seemingly old T\,Tauri star, PDS\,111, and its disk. We combined complementary observations of the stellar atmosphere, the circumstellar hot gas, the surface of the disk, and the mid-plane structure. We analyzed optical, infrared, and sub-millimeter observations obtained with VLT/X-shooter, Mercator/HERMES, TESS, VLT/SPHERE, and ALMA, providing a new view on PDS\,111 and its protoplanetary disk. The multi-epoch spectroscopy yields photospheric lines to classify the star and to update its stellar parameters, and emission lines to study variability in the hot inner disk and to determine the mass-accretion rate. The SPHERE and ALMA observations are used to characterize the dust distribution of the small and large grains, respectively. PDS\,111 is a weak-line T\,Tauri star with spectral type G2, exhibits strong Halpha variability and with a low mass-accretion rate of $1-5 odot $. We measured an age of the system of 15.9$^ $\,Myr using pre-main sequence tracks. The SPHERE observations show a strongly flaring disk with an asymmetric substructure. The ALMA observations reveal a 30\,au cavity in the dust continuum emission with a low contrast asymmetry in the South-West of the disk and a dust disk mass of 45.8\,$M_ or $ Jup $. The 12CO observations do not show a cavity and the 12CO radial extension is at least three times larger than that of the dust emission. Although the measured age is younger than often suggested in literature, PDS\,111 seems relatively old; this provides insight into disk properties at an advanced stage of pre-main sequence evolution. The characteristics of this disk are very similar to its younger counterparts: strongly flaring, an average disk mass, a typical radial extent of the disk gas and dust, and the presence of common substructures. This suggests that disk evolution has not significantly changed the disk properties. These results show similarities with the "Peter Pan disks" around M-dwarfs, that "refuse to evolve".