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Title: Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment: DUNE Collaboration
Abstract The sensitivity of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) to neutrino oscillation is determined, based on a full simulation, reconstruction, and event selection of the far detector and a full simulation and parameterized analysis of the near detector. Detailed uncertainties due to the flux prediction, neutrino interaction model, and detector effects are included. DUNE will resolve the neutrino mass ordering to a precision of 5 $$\sigma $$ σ , for all $$\delta _{\mathrm{CP}}$$ δ CP values, after 2 years of running with the nominal detector design and beam configuration. It has the potential to observe charge-parity violation in the neutrino sector to a precision of 3 $$\sigma $$ σ (5 $$\sigma $$ σ ) after an exposure of 5 (10) years, for 50% of all $$\delta _{\mathrm{CP}}$$ δ CP values. It will also make precise measurements of other parameters governing long-baseline neutrino oscillation, and after an exposure of 15 years will achieve a similar sensitivity to $$\sin ^{2} 2\theta _{13}$$ sin 2 2 θ 13 to current reactor experiments.  more » « less
Award ID(s):
1801996 2013217 1806849 1913983 1806600
NSF-PAR ID:
10212038
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
80
Issue:
10
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract We detail the sensitivity of the proposed liquid xenon DARWIN observatory to solar neutrinos via elastic electron scattering. We find that DARWIN will have the potential to measure the fluxes of five solar neutrino components: pp , $$^7$$ 7 Be, $$^{13}$$ 13 N, $$^{15}$$ 15 O and pep . The precision of the $$^{13}$$ 13 N, $$^{15}$$ 15 O and pep components is hindered by the double-beta decay of $$^{136}$$ 136 Xe and, thus, would benefit from a depleted target. A high-statistics observation of pp neutrinos would allow us to infer the values of the electroweak mixing angle, $$\sin ^2\theta _w$$ sin 2 θ w , and the electron-type neutrino survival probability, $$P_{ee}$$ P ee , in the electron recoil energy region from a few keV up to 200 keV for the first time, with relative precision of 5% and 4%, respectively, with 10 live years of data and a 30 tonne fiducial volume. An observation of pp and $$^7$$ 7 Be neutrinos would constrain the neutrino-inferred solar luminosity down to 0.2%. A combination of all flux measurements would distinguish between the high- (GS98) and low-metallicity (AGS09) solar models with 2.1–2.5 $$\sigma $$ σ significance, independent of external measurements from other experiments or a measurement of $$^8$$ 8 B neutrinos through coherent elastic neutrino-nucleus scattering in DARWIN. Finally, we demonstrate that with a depleted target DARWIN may be sensitive to the neutrino capture process of $$^{131}$$ 131 Xe. 
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  2. null (Ed.)
    Abstract A measurement of the $$ B_{s}^{0} \rightarrow J/\psi \phi $$ B s 0 → J / ψ ϕ decay parameters using $$ 80.5\, \mathrm {fb^{-1}} $$ 80.5 fb - 1 of integrated luminosity collected with the ATLAS detector from 13  $$\text {Te}\text {V}$$ Te proton–proton collisions at the LHC is presented. The measured parameters include the CP -violating phase $$\phi _{s} $$ ϕ s , the width difference $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s between the $$B_{s}^{0}$$ B s 0 meson mass eigenstates and the average decay width $$ \Gamma _{s}$$ Γ s . The values measured for the physical parameters are combined with those from $$ 19.2\, \mathrm {fb^{-1}} $$ 19.2 fb - 1 of 7 and 8  $$\text {Te}\text {V}$$ Te data, leading to the following: $$\begin{aligned} \phi _{s}= & {} -0.087 \pm 0.036 ~\mathrm {(stat.)} \pm 0.021 ~\mathrm {(syst.)~rad} \\ \Delta \Gamma _{s}= & {} 0.0657 \pm 0.0043 ~\mathrm {(stat.)}\pm 0.0037 ~\mathrm {(syst.)~ps}^{-1} \\ \Gamma _{s}= & {} 0.6703 \pm 0.0014 ~\mathrm {(stat.)}\pm 0.0018 ~\mathrm {(syst.)~ps}^{-1} \end{aligned}$$ ϕ s = - 0.087 ± 0.036 ( stat . ) ± 0.021 ( syst . ) rad Δ Γ s = 0.0657 ± 0.0043 ( stat . ) ± 0.0037 ( syst . ) ps - 1 Γ s = 0.6703 ± 0.0014 ( stat . ) ± 0.0018 ( syst . ) ps - 1 Results for $$\phi _{s} $$ ϕ s and $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s are also presented as 68% confidence level contours in the $$\phi _{s} $$ ϕ s – $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s plane. Furthermore the transversity amplitudes and corresponding strong phases are measured. $$\phi _{s} $$ ϕ s and $$ \Delta \Gamma _{s}$$ Δ Γ s measurements are in agreement with the Standard Model predictions. 
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  3. null (Ed.)
    A bstract Our herein described combined analysis of the latest neutrino oscillation data presented at the Neutrino2020 conference shows that previous hints for the neutrino mass ordering have significantly decreased, and normal ordering (NO) is favored only at the 1 . 6 σ level. Combined with the χ 2 map provided by Super-Kamiokande for their atmospheric neutrino data analysis the hint for NO is at 2 . 7 σ . The CP conserving value δ CP = 180° is within 0 . 6 σ of the global best fit point. Only if we restrict to inverted mass ordering, CP violation is favored at the ∼ 3 σ level. We discuss the origin of these results — which are driven by the new data from the T2K and NOvA long-baseline experiments —, and the relevance of the LBL-reactor oscillation frequency complementarity. The previous 2 . 2 σ tension in ∆ m 2 21 preferred by KamLAND and solar experiments is also reduced to the 1 . 1 σ level after the inclusion of the latest Super-Kamiokande solar neutrino results. Finally we present updated allowed ranges for the oscillation parameters and for the leptonic Jarlskog determinant from the global analysis. 
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  4. A bstract A precision measurement of the Z boson production cross-section at $$ \sqrt{\mathrm{s}} $$ s = 13 TeV in the forward region is presented, using pp collision data collected by the LHCb detector, corresponding to an integrated luminosity of 5.1 fb − 1 . The production cross-section is measured using Z → μ + μ − events within the fiducial region defined as pseudorapidity 2 . 0 < η < 4 . 5 and transverse momentum p T > 20 GeV /c for both muons and dimuon invariant mass 60 < M μμ < 120 GeV /c 2 . The integrated cross-section is determined to be $$ \sigma \left(Z\to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)=196.4\pm 0.2\pm 1.6\pm 3.9\ \mathrm{pb}, $$ σ Z → μ + μ − = 196.4 ± 0.2 ± 1.6 ± 3.9 pb , where the first uncertainty is statistical, the second is systematic, and the third is due to the luminosity determination. The measured results are in agreement with theoretical predictions within uncertainties. 
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  5. null (Ed.)
    ABSTRACT We present a new method by which to retrieve energy spectrum for all falvours of neutrinos from core-collapse supernova (CCSN). In the retrieval process, we do not assume any analytic formulas to express the energy spectrum of neutrinos but rather take a direct way of spectrum reconstruction from the observed data; the singular value decomposition algorithm with a newly developed adaptive energy-gridding technique is adopted. We employ three independent reaction channels having different flavour sensitivity to neutrinos. Two reaction channels, inverse beta decay on proton and elastic scattering on electrons, from a water Cherenkov detector such as Super-Kamiokande (SK) and Hyper-Kamiokande (HK), and a charged current reaction channel with Argon from the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) are adopted. Given neutrino oscillation models, we iteratively search the neutrino energy spectra at the CCSN source until they provide the consistent event counts in the three reaction channels. We test the capability of our method by demonstrating the spectrum retrieval to a theoretical neutrino data computed by our recent three-dimensional CCSN simulation. Although the energy spectrum with either electron-type or electron-type antineutrinos at the CCSN source has relatively large error compared to that of other species, the joint analysis with HK + DUNE or SK + DUNE will provide precise energy spectrum of all flavours of neutrinos at the source. Finally, we discuss perspectives for improvements of our method by using neutrino data of other detectors. 
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