talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

22
Determina)on of mass hierarchy with reactor neutrino experiment Yoshitaro Takaesu KIAS/KNRC arXiv: 1210.8141 1 In collabora)on with S.F. Ge, N. Okamura and K. Hagiwara PPC2012@KIAS Yoshitaro Takaesu

Transcript of talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Page 1: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Determina)on  of  mass  hierarchy    with  reactor  neutrino  experiment  

Yoshitaro  Takaesu    

KIAS/KNRC    

arXiv:  1210.8141   1  

In  collabora)on  with  S.F.  Ge,  N.  Okamura  and  K.  Hagiwara  

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

Page 2: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

IntroducDon  

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

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

arXiv:  1210.8141   2  

�13

O(10)

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

Page 3: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Mass  Hierarchy    

arXiv:  1210.8141   3  

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

We  know    

There  are  two  possibiliDes  leX,  NH  and  IH.  

Which  one  is  realized  in  Nature?  

Long  standing  and  big  ISSUE.  

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

�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

Page 4: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

OscillaDon  

arXiv:  1210.8141   4  

Mass  Hierarchy  difference  

�e � �e

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

Page 5: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Reactor  neutrino  experiment  

arXiv:  1210.8141   5  

�e

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

Flux  @  Reactor   Pee    @  far  detector  �e

�e + p� e+ + n

Page 6: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Energy  distribuDon  @  far  detector  

arXiv:  1210.8141   PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu   6  

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

We  want  to  observe  the  NH-­‐IH    difference    in  the  energy  distribuDon  at  a  far  detector    

Let’s  observe  it!    

…  but  There  are  obstacles…  

Page 7: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Obstacle1:    

arXiv:  1210.8141   PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu   7  

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

 within  its  uncertainty.    

@  L  >  30  km,  the  NH-­‐IH  difference      cannot  be  totally  absorbed.          

We  need  a  far  detector    at  L  >  30  km  

There  is  the  opDmal  baseline  length  to  determine  mass  hierarchy.  

�|�m231|

�|�m231|

Page 8: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Obstacle2:  finite  Energy  ResoluDon    

arXiv:  1210.8141   PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu   8  

b: systematic error parta: statistical error part

AXer  smearing  with  the  detector    Energy  resoluDon,  the  NH-­‐IH  difference  Can  be  absorbed  again.  

�E

E=

�����

a�E/MeV

�2

+ b2

Upper  limit  on  the  Energy  ResoluDon  

Page 9: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

We  esDmate  – OpDmal  baseline  length  

– Energy  resoluDon  required  – Expected  uncertainDes  of  neutrino  parameters  

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

arXiv:  1210.8141   PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu   9  

Page 10: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Analysis  method  

arXiv:  1210.8141   10  PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

We  calculate  the  neutrino  energy  distribuDon  for  NH  or  IH,    

Energy  ResoluDon  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  distribuDon.  We  don’t  consider            the  fluctuaDon  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

Page 11: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Analysis  method      cont.  

arXiv:  1210.8141   11  

The  sensiDvity  to  determine  MH:  

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

*    We  consider  zero  bin-­‐size  limit.            The  sensiDvity  should  be  considered  as  the  maximum  sensiDvity.    

Page 12: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Results  

arXiv:  1210.8141   PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu   12  

Page 13: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

SensiDvity  for  mass  hierarchy  

arXiv:  1210.8141   13  

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

OpDmal  L  ~  50  km  

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

(��2)min > 9

Page 14: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

SystemaDc  Error  of  ResoluDon  

arXiv:  1210.8141   14  

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  opDmal  L  

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

(��2)min > 9

Page 15: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

UncertainDes  of  Parameters  

arXiv:  1210.8141   15  

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

Unc

erta

inty

6m221

×10-6eV2

0246

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

L [km]

|6m231|

×10-5eV2

Parameter  measurements    are  not  sensiDve  to  the  Energy  resoluDon  

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

~  0.5%  level    of  uncertainDes  can  be  achieved    for     sin2 2�12

|�m231|

�m221

Page 16: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

Summary  • We  study  the  sensiDvity  of  a  future  medium  baseline  reactor  neutrino  experiment  for  MH  determinaDon.  

•  For  20  GW  5kton  5  years  exposure,  

–   opDmal  baseline  length  ~  50  km  

–   <  3%  staDsDcal  &  <  1%  systemaDc  errors  of              Energy  ResoluDon  is  required  

–   0.5%  level  of  accuracy  for  Neutrino  Parameters    

arXiv:  1210.8141   16  PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

*  This  study  gives  the  minimum  requirement  for  the  energy  resoluDon.    *  More  realisDc  study  is  very  sensiDve  to  the  environment,  such  as  distribuDon  of  reactors        within  ~100  km  from  the  far  detector  (J.Evslin  et.al,  arXiv:1209.2227).  

Page 17: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

arXiv:  1210.8141   17  

Thank  you  

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

Page 18: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

arXiv:  1210.8141   18  

-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

PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

Page 19: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

arXiv:  1210.8141   PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu   19  

-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

Page 20: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

arXiv:  1210.8141   PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu   20  

-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

Page 21: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

arXiv:  1210.8141   21  PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu  

Page 22: talk @ PPC at KIAS 2012.11.07

arXiv:  1210.8141   22  PPC2012@KIAS    Yoshitaro  Takaesu