Reactor  neutrino  experiment  

1  

�e

Flux  @  Reactor   Pee    @  far  detector  �e

�e + p� e+ + n

Mass  Hierarchy  determina;on  with  

E� � Evis + 0.8MeV

Oscilla;on  

2  

Mass  Hierarchy  difference  

�e � �e

Energy  distribu;on  @  far  detector  

3  

10000 20000 30000 40000

30 km NH IH

2000 6000

10000 14000 40 km NH

IH

1000 3000 5000 7000

dN /

dEi [

1/M

eV]

50 km NH IH

0 1000 2000 3000 4000

2 3 4 5 6 7 8

Ei [MeV]

60 km NH IH

�e

Obstacle1:    

4  

@  <  30  km,  the  NH-­‐IH  difference  is  totally  absorbed  by  a  small  shiM  of  

 within  its  uncertainty.    

We  need  a  far  detector    at  L  >  30  km  

�|�m231|

�|�m231|

Obstacle2:  finite  Energy  Resolu;on    

5  

b: systematic error parta: statistical error part

AMer  smearing  with  the  detector    Energy  resolu;on,  the  NH-­‐IH  difference  Can  be  absorbed  again.  

�E

E=

�����

a�E/MeV

�2

+ b2

Upper  limit  on  the  Energy  Resolu;on  

Sensi;vity  for  mass  hierarchy  

6  

0

2

4

6

8

10

12

14

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r

2 ) min

L [km]

b = 0

a = 2% NH IH

3% NH IH

4% NH IH

5% NH IH

6% NH IH

20  GW  5kton  5  years  

a  <  3%    for    

�E

E=

�����

a�E/MeV

�2

+ b2

Op;mal  L  ~  50  km  

(��2)min > 9

Systema;c  Error  of  Resolu;on  

7  

0

2

4

6

8

10

12

14

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r

2 ) min

L [km]

(a, b) = (2, 0) NH IH

(2, 0.5) NH IH

(2, 0.75) NH IH

(2, 1) NH IH

�E

E=

�����

a�E/MeV

�2

+ b2

b  <  1%      for  

20GW  5kton  5  years  

Larger  b                    Shorter  op;mal  L  

(��2)min > 9

8  

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0 10 20 30 40 50

C. L

.

(6r2)min

×1

×2 ×3 ×4

×1

×2

×3

×4

×6×8 ×10

L = 50 km

(a, b) = (2, 0.5): NH IH

(3, 0.75): NH IHNo Fluctuation

Considering  fluctua;on  of  data  

20GW  5kton  5  years  �n

Parameter  measurement  

9  

0.51.01.52.0

sin22e12

×10-2(a, b) = (3, 0.5) NH

IH(3, 1) NH

IH(6, 1) NH

IH

1234 sin22e13

×10-3

0.51.01.5

Sta

tist

ical

Un

cert

ain

ty

6m221

×10-6eV2

0246

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

L [km]

|6m231|

×10-5eV2

Parameter  measurements    are  not  sensi;ve  to  the  Energy  resolu;on  

~  0.5%  level    of  uncertain;es  can  be  achieved    for     sin2 2�12

|�m231|

�m221

OutLook  

•  Consider  the  energy  scale  uncertainty  of  the  detector        

•  Find  a  suitable  place  in  Korea,  taking  into  account  mul;-­‐reactor  interference  

• MH  determina;on  with  Long  baseline  neutrino  oscilla;on,  i.e.,  T2KK  

10  

Other  On-­‐going  Projects  •  QCD  Mul;-­‐jet  genera;on  with  MadGraph  – pp  >  5  jets  becomes  possible,  but  not  6  jets    – Now  improving  phase  space  integra;on  (MadEvent)  • gg  >  4g  is  checked  with  new  integra;on  method  • gg  >  5  g  under  going  (want  to  go  up  to  gg  >  7g  )  

•  Implementa;on  of  spin-­‐3/2  par;cle  into       FeynRule/MadGraph,  FR/CalcHep    – Almost  done,  now  in  valida;on  phase              

11  

12  

Thank  you  

Summary  • We  study  the  sensi;vity  of  a  future  medium  baseline  reactor  neutrino  experiment  for  MH  determina;on.  

•  For  20  GW  5kton  5  years  exposure,  

–   op;mal  baseline  length  ~  50  km  

–   <  3%  sta;s;cal  &  <  1%  systema;c  errors  of              Energy  Resolu;on  is  required  

–   0.5%  level  of  accuracy  for  Neutrino  Parameters    

13  

*  This  study  gives  the  minimum  requirement  for  the  energy  resolu;on.    *  More  realis;c  study  is  very  sensi;ve  to  the  environment,  such  as  distribu;on  of  reactors        within  ~100  km  from  the  far  detector  (J.Evslin  et.al,  arXiv:1209.2227).  

14  

-0.25 0

0.25 0.5 sin22e12

2% NH IH

3% NH IH

6% NH IH

-0.25 0

0.25 0.5 sin22e13

-0.25 0

0.25 0.5

pull

fact

or

6m221

-0.25 0

0.25 0.5

|6m231|

-0.25 0

0.25 0.5

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100L [km]

fsys

15  

-10 0 10 20 30

50

100

150

(��2)min

�E

E=

�����

2%�E/MeV

�2

+ (0.5%)2

L = 50km1000 experiments

(��2)min = 11.2

�(��2)min = 7.1

16  

-5

0

5

10

15

20

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r2 ) m

in

L [km]

20GWth, 5kton (12.00% proton), 5 years, (bEvis/Evis)2 = ( (a / 3Evis)

2 + b2 )%

(a, b) = (2, 0.5) NH IH

Determina0on  of  mass  hierarchy    with  reactor  neutrino  experiment  

Yoshitaro  Takaesu    

KIAS/KNRC    

17  

In  collabora0on  with  S.F.  Ge,  N.  Okamura  and  K.  Hagiwara  

Introduc;on  

•  DayaBay  and  RENO  observed  large  •  There  is  a  possibility  that  neutrino  mass  hierarchy  is  determined  by  observing  reactor  neutrino  oscilla;on  at                        km  away  

•  In  this  talk,  I  discuss  the  sensi;vity  of  the  future  medium  baseline  reactor  experiments  for  determining  mass  hierarchy      

18  

�13

O(10)

Mass  Hierarchy    

19  

If  we  assume  there  are  3  types  of  netrinos,  there  are  6  possible  mass  hierarchies.  

We  know    

There  are  two  possibili;es  leM,  NH  and  IH.  

Which  one  is  realized  in  Nature?  

Long  standing  and  big  ISSUE.  

�m221 = m2

2 �m21 � 7.5� 10�5

�m221 < |�m2

31| � 2.3� 10�3

m1  

m2  

m3  

m1  

m2  

m3  

Normal  Hierarchy                            (NH)  

Inverted  Hierarchy                            (IH)  

|�m231|

�m221

We  es;mate  – Op;mal  baseline  length  

– Energy  resolu;on  required  – Expected  uncertain;es  of  neutrino  parameters  

Assuming  an  experiment  with    20  GW  5kton  (12%  free  proton)  5  years    exposure.  

20  

Analysis  method  

21  

We  calculate  the  neutrino  energy  distribu;on  for  NH  or  IH,    

Energy  Resolu;on  smearing  (Gaussian)  

We  then  perform  the  standard                    analysis  to  this  “data”  (next  slide).      

dNNH(IH)

dEobs=

NpT

4�L2

�dE�

dN

dE�Pee(L, E�)�IBD(E�)G(Etrue �Eobs, �E)

*                                                    corresponds  to  the  averaged  observed  distribu;on.  We  don’t  consider            the  fluctua;on  of  data  from  experiment  to  experiment  in  this  talk.        

dNNH(IH)

dEobs

We  introduce  bining  and  prepare  “data”,  the  number  of  events  in  each  bin.    

NNH(IH)i =

� Eobsi+1

Eobsi

dEobs dNNH(IH)

dEobs (i = 1, · · · , nbins)

�2

Analysis  method  -­‐  

22  

The  sensi;vity  to  determine  MH:  

�2Analysis

Results  

23