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This content will become publicly available on May 1, 2026

Title: Supernova pointing capabilities of DUNE
The determination of the direction of a stellar core collapse via its neutrino emission is crucial for the identification of the progenitor for a multimessenger follow-up. A highly effective method of reconstructing supernova directions within the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is introduced. The supernova neutrino pointing resolution is studied by simulating and reconstructing electron-neutrino charged-current absorption on Ar 40 and elastic scattering of neutrinos on electrons. Procedures to reconstruct individual interactions, including a newly developed technique called “brems flipping,” as well as the burst direction from an ensemble of interactions are described. Performance of the burst direction reconstruction is evaluated for supernovae happening at a distance of 10 kpc for a specific supernova burst flux model. The pointing resolution is found to be 3.4 degrees at 68% coverage for a perfect interaction-channel classification and a fiducial mass of 40 kton, and 6.6 degrees for a 10 kton fiducial mass respectively. Assuming a 4% rate of charged-current interactions being misidentified as elastic scattering, DUNE’s burst pointing resolution is found to be 4.3 degrees (8.7 degrees) at 68% coverage. Published by the American Physical Society2025  more » « less
Award ID(s):
2410721 2112727 2117997
PAR ID:
10590355
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
American Physical Society
Date Published:
Journal Name:
Physical Review D
Volume:
111
Issue:
9
ISSN:
2470-0010
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Electron-neutrino charged-current interactions with xenon nuclei were modeled in the nEXO neutrinoless double- β decay detector ( 5 metric ton, 90% Xe 136 , 10% Xe 134 ) to evaluate its sensitivity to supernova neutrinos. Predictions for event rates and detectable signatures were modeled using the Model of Argon Reaction Low Energy Yields (MARLEY) event generator. We find good agreement between MARLEY’s predictions and existing theoretical calculations of the inclusive cross sections at supernova neutrino energies. The interactions modeled by MARLEY were simulated within the nEXO simulation framework and were run through an example reconstruction algorithm to determine the detector’s efficiency for reconstructing these events. The simulated data, incorporating the detector response, were used to study the ability of nEXO to reconstruct the incident electron-neutrino spectrum and these results were extended to a larger xenon detector of the same isotope enrichment. We estimate that nEXO will be able to observe electron-neutrino interactions with xenon from supernovae as far as 5–8 kpc from Earth, while the ability to reconstruct incident electron-neutrino spectrum parameters from observed interactions in nEXO is limited to closer supernovae. Published by the American Physical Society2024 
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  3. The Mu2e and COMET experiments are expected to improve existing limits on charged lepton flavor violation (CLFV) by roughly 4 orders of magnitude. μ e conversion experiments are typically optimized for electrons produced without nuclear excitation, as this maximizes the electron energy and minimizes backgrounds from the free decay of the muon. Here we argue that Mu2e and COMET will be able to extract additional constraints on CLFV from inelastic μ e conversion, given the Al 27 target they have chosen and backgrounds they anticipate. We describe CLFV scenarios in which inelastic CLFV can induce measurable distortions in the near-endpoint spectrum of conversion electrons, including cases where certain contributing operators cannot be probed in elastic μ e conversion. We extend the nonrelativistic EFT treatment of elastic μ e conversion to include the new nuclear operators needed for the inelastic process, evaluate the associated nuclear response functions, and describe several new-physics scenarios where the inelastic process can provide additional information on CLFV. Published by the American Physical Society2024 
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  4. Large neutrino liquid argon time projection chamber (LArTPC) experiments can broaden their physics reach by reconstructing and interpreting MeV-scale energy depositions, or blips, present in their data. We demonstrate new calorimetric and particle discrimination capabilities at the MeV energy scale using reconstructed blips in data from the MicroBooNE LArTPC at Fermilab. We observe a concentration of low-energy ( < 3 MeV ) blips around fiberglass mechanical support struts along the time projection chamber edges with energy spectrum features consistent with the Compton edge of 2.614 MeV Tl 208 decay γ rays. These features are used to verify proper calibration of electron energy scales in MicroBooNE’s data to few percent precision and to measure the specific activity of Tl 208 in the fiberglass composing these struts, ( 11.7 ± 0.2 ( stat ) ± 3.1 ( syst ) ) Bq / kg . Cosmogenically produced blips above 3 MeV in reconstructed energy are used to showcase the ability of large LArTPCs to distinguish between low-energy proton and electron energy depositions. An enriched sample of low-energy protons selected using this new particle discrimination technique is found to be smaller in data than in dedicated cosmic-ray simulations, suggesting either incorrect modeling of incident cosmic fluxes or particle transport modeling issues in eant4. Published by the American Physical Society2025 
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  5. We present the first measurement of nuclear recoils from solar B 8 neutrinos via coherent elastic neutrino-nucleus scattering with the XENONnT dark matter experiment. The central detector of XENONnT is a low-background, two-phase time projection chamber with a 5.9 t sensitive liquid xenon target. A blind analysis with an exposure of 3.51 t × yr resulted in 37 observed events above 0.5 keV, with ( 26.4 1.3 + 1.4 ) events expected from backgrounds. The background-only hypothesis is rejected with a statistical significance of 2.73 σ . The measured B 8 solar neutrino flux of ( 4.7 2.3 + 3.6 ) × 10 6 cm 2 s 1 is consistent with results from the Sudbury Neutrino Observatory. The measured neutrino flux-weighted CE ν NS cross section on Xe of ( 1.1 0.5 + 0.8 ) × 10 39 cm 2 is consistent with the Standard Model prediction. This is the first direct measurement of nuclear recoils from solar neutrinos with a dark matter detector. Published by the American Physical Society2024 
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