Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage...

35
Future Neutrino Projects Beyond θ 13 Ed Kearns Boston University October 28, 2008

Transcript of Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage...

Page 1: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

Future Neutrino Projects

Beyond θ13

Ed Kearns Boston University

October 28, 2008 

Page 2: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

If θ13 > 0.01 from T2K/NOνA/CNGS and Double Chooz/Daya Bay/RENO ... 

•  Verify the 3×3 Neutrino Framework: 

•  Measure phase δ ‒ demonstrate CPV

•  Determine Mass Hierarchy (if not already done) 

•  Refine measurements, especially θ23 ≠ 45° 

10/28/08  2 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

A Neutrino Factory in combina\on with a magne\c detector is the op\mum experiment to verify the 3x3 framework, that we know of. For this talk, I will consider that technically out of reach at this \me. 

Page 3: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

J‐PARC  0.75 MW (T2K)  1.66 MW 

FNAL  0.4 MW (NuMI)  1.2‐2 MW 

CERN  0.5 MW (CNGS)  4 MW (SPL) 

Water Cherenkov  22.5 kton (SK)  300‐500 kton 

Fine Grained   15 kton (NOνA)  50‐100 kton (LAr) 

The experimental issues remains essen\ally the same as with the prior genera\on: look for CCQE νe, NC π0 serious BG, beam νe is irreducible. However, we now run with ν and an\‐ν and need large sta\s\cs. 

10/28/08  3 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

The physics objec\ve of CPV and hierarchy determina\on can be accomplished with a conven\onal, high intensity,  super beam plus a “Megaton Scale” detector. 

Page 4: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

atmos. 

solar 

CP viola\ng 

CP conserving 

10/28/08  4 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

for an\‐neutrinos, sign of x and sin δcp is changed 

Page 5: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

CPV effect 3x larger at 2nd maximum than 1st 

L = 1000 km 

Spread increases with baseline 

Neutrinos and An\‐neutrinos  reverse places  with hierarchy 

10/28/08  5 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 6: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

10/28/08  Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008   6 

Use spectral informa\on or mul\ple experiments (baselines or reactor) to resolve degenerate solu\ons.  

Observables: 

P(ν µ →ν e )

P(ν µ →ν e )

Page 7: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

hlp://j‐parc.jp/NP08/ 

T. Hasegawa NP08 

10/28/08  7 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 8: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

ν

48 × 50 × 50 meters 2 detector caverns 270 kton + 270 kton fiducial mass (∼ 1 Mt total) ∼ 200,000 PMTs (for 40% coverage) 2.5˚ OA (other side of beam) Reduced overburden from SK: 500 m (vs 1 km) 

10/28/08  8 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 9: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

K. Kaneyuki NP08 

Sensi\vity to CPV: ≈50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ13 = 0.03  ‐ Even for only 5 years running; 10 years slightly beler  ‐ Preliminary systema\cs of 5% on: signal, NC BG, beam BG, ν/an\‐ν  ‐ Hierarchy should be known to remove degenerate solu\on 

10/28/08  9 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 10: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

•  Measure both first and second maximum •  S\ll 270 kton + 270 kton fiducial mass •  Eliminates many degeneracies •  Controls systema\c uncertainty. M. Ishitsuka et al., Phys.Rev.D72:033003,2005 

10/28/08  10 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 11: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

Neutr

ino F

lux

Osc. P

rob.

1st Maximum

2nd Maximum L ~ 1000 km

10/28/08  11 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 12: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

F. Dufour NOW’08 

10/28/08  12 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 13: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

F. Dufour NOW’08 

10/28/08  13 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 14: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

Sensi\vity to CPV: > 70% δ‐coverage (3σ) for sin22θ13 > 0.01  ‐ 10 years running  ‐ 15 systema\c uncertainty terms, most = 5%; 20% in normaliza\on > 1.2 GeV  ‐ CPV reach insensi\ve to angle, but 1˚OA quasi‐WBB benefits hierarchy study 

F. Dufou

r NOW’08 

10/28/08  14 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 15: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

T. Maruyama – NP08 

Kamioka  295 km 2.5° OA 0.6 GeV (1st) 0.2 GeV (2nd) 

Okinoshima  650 km 0.8° OA 1.3 GeV (1st) 0.4 GeV (2nd) 

A new possibility under inves\ga\on... 

10/28/08  15 

Page 16: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

  In post‐Tevatron era, Fermilab’s long range plan is converging on the high intensity fron\er.   The flagship project would be a new 1‐2 MW beam towards DUSEL .   Unique feature is longest baseline being considered (1300 km).   60 – 120 GeV protons fed by Project X.   300‐500 kton Water Cherenkov and/or ~100 kton LAr TPC. 

Marciano, hep‐ph/0108181 Diwan et al., hep‐ex/0608023 Barger et al., arXiv:0705.4396 

10/28/08  16 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 17: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

M. Bishai, UDIG 08 

120 GeV protons, 2.4 MW 0.5˚ OA Used for next plots 

60 GeV protons, 1.2 MW 0˚ OA ⇒ comparable sensi\vi\es 

10/28/08  17 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 18: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

M. Dierckxsens, UDIG 08 

10/28/08  18 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 19: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

M. Dierckxsens, UDIG 08 

10/28/08  19 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

It is assumed that NC BG is completely removed for LAr. Remains to be demonstrated! 

Page 20: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

Water Cherenkov  Liquid Argon 

M. Dierckxsens, UDIG 08 

Sensi\vity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ13 > 0.015  ‐ 3+3 years running  ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect BG rejec\on for LAr (80% signal efficiency)

10/28/08  20 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 21: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

M. D

ierckxsens, U

DIG 08 

10/28/08  21 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 22: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

Eν (reco.)  1.7 GeV 

proton  691 MeV/c 

π0  1442 MeV/c 

γ1  1204 MeV/c 

γ2  245 MeV/c 

Sensi\vity studies suggest a factor of 3‐6× in equivalent mass for LAr over WC. 

10/28/08  22 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 23: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

FLARE  hep‐ex/0408121v1 

LANNDD  astro‐ph/0604548 

GLACIER   hep‐ph/0402110 

  Modules with wires   Large volume with wires   Large volume without wires 

  purifica\on – dri{ length   low noise electronics   automa\c reconstruc\on   detailed design: materials, feed‐throughs, etc.   safety underground 

  World‐wide R&D effort   Need long term demonstra\on of an opera\ng detector that generates physics results. 

10/28/08  23 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 24: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

Next Generation Water Cherenkov

Detector Configurations

10/28/08  24 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 25: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

  Well tested technology with mature knowledge‐base   Inexpensive source of mass   Good calorimetry   Performs beler at tracking at Sub‐GeV energies 

  What PMT coverage? (depends on physics topic)  ‐ SK2 experience shows 20% good enough for most. Lower? 

  PMT costs drive the experiment cost. ‐ Current R&D hopes to lower cost, but s\ll basically PMT technology. 

  Must design in safety against chain reac\on  ‐ Current thinking is to use smaller tubes, lower density.  ‐ Drives maximum water depth. 

  Many other details, eg. moun\ng, water purifica\on etc.  ‐ Previously solved, but may require new ideas, especially regarding cost. 

  Gadolinium (n‐capture) may add value for some physics topics. 

10/28/08  25 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 26: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

10/28/08  26 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 27: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

•  Short baseline: 130 km •  440 kton total fiducial mass of WC •  3.5 GeV Super Proton LINAC (4 MW) •  beta beam 5.8/2.2e18 He/Ne dcy/y •  Performance similar to J‐PARC – HK •  Advocate using atmospheric n    to resolve degeneracies 

J. Campagne et al, JHEP 04 (2007) 003 

10/28/08  27 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 28: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

It is important to consider the added value from other scien\fic topics besides accelerator based neutrino oscilla\on. 

1A  Nucleon Decay 1B   Supernova Neutrino Burst 2    Diffuse Relic Supernova Neutrinos 3    Atmospheric Neutrinos 4    Solar Neutrinos 

10/28/08  28 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 29: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

  Guaranteed signal – if you run for long enough.  

  Enormous sta\s\cs (200,000 events) in a megaton‐scale WC detector. 

  Time profile and spectra of great astrophysical interest.      Exo\c possibili\es such as Si‐burning and black hole forma\on. 

  Standard picture: Ini\al burst of νe and cooling tail of equal flavors. 

  May reveal fundamental neutrino physics as well: mass hierarchy via maler effects 

10/28/08  29 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 30: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

R. Tomas, et al. JCAP 0409, 015 2004

M. Nakahata et al.numbers for 1 Mton

(1) Neutroniza\on peak  (2) Shock wave development 

(3) Earth maler effects if >1 detector in world and some geometric luck 

LAr can par\cipate too: νeCC (40Ar,40K*)  25000 νeCC events/380 neutroniza\on for 100 kt, 10kpc 

10/28/08  30 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 31: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

  Highly prized physics mo\va\on:      Grand Unifica\on of strong, weak, and electromagne\c forces.      Grand Unifica\on of quarks and leptons.      New force carrying par\cle! 

  Connec\ons to neutrino mass, infla\on, BAU ... 

  Test of basic symmetries: baryon number and lepton number. 

  Supersymmetric versions of GUTs are of great interest: LHC connec\on? 

  ~1015 GeV energy scale – inaccessible to accelerators. 

  Long life\me limits (from SK) are already difficult constraints       which new models must work hard to evade. Even failure to      detect proton decay is having a significant impact on theory. 

p

e+

π0 K+

ν ! ! !M4X

m5p

10/28/08  31 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 32: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

Year

Life

time

Sens

itivi

ty (9

0% C

L)

SK3/4

SK2SK1

10 32

10 33

10 34

10 35

1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

100 kton

200 kton

300 kton

+100 kton LAr

Sensi\vity versus \me for a plausible schedule for three 100 kton WC detectors followed by a 100 kton LAr TPC 

  Efficiency ~45% due to nuclear absorp\on of π0 (WC and LAr)   Background from atmospheric neutrinos ~ 2 evts/Mt⋅yr   Bright signature in WC, low PMT coverage should perform well. 

10/28/08  32 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 33: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

10 32

10 33

10 34

10 35

1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

SK 3/4

Year

Life

time

Sens

itivi

ty (9

0% C

L)

SK1 100 kton WC200 kton WC

300 kton WC

+100 kton LAr

Sensi\vity versus \me for a plausible schedule for three 100 kton WC detectors followed by a 100 kton LAr TPC 

  WC: ε ∼14%, requires high PMT coverage. BG ∼ 20 evts/Mt⋅yr   LAr: Presumed to have 95%+ efficiency by dE/dx track of K+ 

10/28/08  33 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 34: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

The problem is, many of the theore\cal bands keep on going... to 1036 at least. 

10/28/08  34 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008  

Page 35: Future Neutrino Projects Beyond 13M. Dierckxsens, UDIG 08 Sensivity to CPV: > 50% δ‐coverage (3σ) for sin22θ 13 > 0.015 ‐ 3+3 years running ‐ BG uncertainty = 5%; assume perfect

By 2012 we should have a good idea of the size of θ13. If θ13 is not too small, the next step with neutrinos is to complete the 3x3 

framework by observing δCP. Neutrino factories would be spectacular in this regard, however they 

may not be ready soon. If sin22θ13 is < 0.01 they may be necessary. The first steps can be taken and can succeed with modest increases in 

beam flux and larger detectors. The large detectors (if underground) naturally provide great scien\fic 

value in par\cle astrophysics and nucleon decay, helping to merit the cost of the project. They should be designed with mul\‐decade opera\on in mind. 

For long baseline neutrino oscilla\on, the detectors will have a minimum size required to accomplish the job, for a given beam. 

However, for the non‐accelerator topics, they should be as large as possible (or affordable, in money and \me). 

10/28/08  35 Ed Kearns ‐ ICFA Seminar 2008