Energy Systema-cs Studies Elizabeth Worcester (BNL) March - - PowerPoint PPT Presentation

Energy ¡Systema-cs ¡Studies ¡

Elizabeth ¡Worcester ¡(BNL) ¡ March ¡15, ¡2016 ¡ ¡ ¡

Redux ¡of ¡talks ¡given ¡at ¡previous ¡DUNE ¡collabora-on ¡ mee-ngs, ¡summarizing ¡the ¡methods ¡and ¡results ¡for ¡ detector ¡systema-cs ¡studies. ¡

Introduc-on ¡

• Introduc-on ¡to ¡method ¡

– M. ¡Bass, ¡DocDB ¡9872 ¡

• Parameter ¡varia-ons ¡under ¡considera-on ¡

– Sugges-ons ¡for ¡addi-onal ¡studies ¡welcome ¡

• Results ¡to ¡date ¡

2 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

• M. ¡Bass ¡

3 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

• M. ¡Bass ¡

4 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

• M. ¡Bass ¡

5 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

• M. ¡Bass ¡

6 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

Response ¡Func-on ¡For ¡Energy ¡ Systema-cs ¡

• Depend ¡on ¡reconstructed ¡energy ¡

– “Regular” ¡response ¡func-ons ¡depend ¡only ¡on ¡true ¡ energy ¡

• Energy ¡response ¡func-on ¡is ¡an ¡addi-onal ¡

smearing ¡matrix ¡that ¡takes ¡Ereco ¡to ¡Efinal ¡

– “Regular” ¡response ¡func-on ¡is ¡a ¡weight ¡in ¡true ¡ energy ¡bins ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 7 ¡

Response ¡Func-on ¡Event ¡Rates ¡

• “Regular” ¡response ¡func-ons: ¡

¡

• Energy ¡response ¡func-ons ¡(new): ¡

ni(θ, f ) = Rj( f )⋅ Pj(θ)⋅nj ⋅ Sij

j NEtrue

∑

ni(θ, f ) = Pj(θ)⋅nj ⋅ Rik( f )

k NEreco

∑

⋅ Skj

j NEtrue

∑

! Sij

Note: ¡This ¡works ¡for ¡single ¡energy ¡systema-cs ¡alone ¡or ¡in ¡combina-on ¡ with ¡“regular” ¡response ¡func-ons. ¡Because ¡matrix ¡mul-plica-on ¡does ¡ not ¡commute, ¡does ¡not ¡mathema-cally ¡work ¡for ¡combina-ons. ¡Tests ¡ show ¡minimal ¡differences ¡when ¡considering ¡different ¡ordering ¡of ¡ combina-ons. ¡

8 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

Example: ¡LepBias ¡

• Elepton ¡=> ¡(1 ¡+ ¡σ) ¡* ¡Elepton ¡
• σ ¡= ¡3% ¡(a ¡choice) ¡
• Response ¡matrices: ¡
• ­‑4σ
• ­‑2σ

0σ 4σ

9 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

Systema-cs ¡Considered ¡

• LepSmear ¡

– Implemented ¡as ¡frac-onal ¡change ¡ in ¡lepton ¡resolu-on ¡ – 1σ ¡= ¡2.5%, ¡5%, ¡10%, ¡20% ¡ – σνµ= ¡1, ¡σν/ν= ¡1σ⊕1σ, ¡σνe/νµ= ¡100, ¡ σντ/νµ= ¡100 ¡

• LepBias ¡

– Implemented ¡as ¡simple ¡ nonlinearity: ¡(1 ¡+ ¡σ) ¡* ¡Elepton ¡ – 1σ ¡= ¡1%, ¡3%, ¡5%, ¡10% ¡ – σνµ= ¡1, ¡σν/ν= ¡1σ⊕1σ, ¡σνe/νµ= ¡100, ¡ σντ/νµ= ¡100 ¡

• HadSmear ¡

– Implemented ¡as ¡frac-onal ¡change ¡ in ¡resolu-on ¡of ¡hadron ¡system ¡ – 1σ ¡= ¡2.5% ¡ – σνµ= ¡1, ¡σν/ν= ¡100, ¡σνe/νµ= ¡0.025, ¡ σντ/νµ= ¡0.1 ¡

• HadBias ¡

– Implemented ¡as ¡simple ¡ nonlinearity: ¡(1 ¡+ ¡σ) ¡* ¡Ehadron-­‑system ¡ – 1σ ¡= ¡1%, ¡3%, ¡5%, ¡10% ¡ – σνµ= ¡1, ¡σν/ν= ¡100, ¡σνe/νµ= ¡1σ⊕1σ, ¡ σντ/νµ= ¡0.1 ¡

• NeutronBias ¡(previously ¡

“HadBias”) ¡

– Implemented ¡as ¡varia-on ¡in ¡ frac-on ¡of ¡neutron ¡energy ¡

• bserved ¡

– 1σ ¡= ¡20% ¡ – σνµ= ¡1, ¡σν/ν= ¡100, ¡σνe/νµ= ¡0.025, ¡ σντ/νµ= ¡0.1 ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 10 ¡

Also ¡consider ¡combina-ons ¡of ¡ these ¡with ¡MA

QE ¡and ¡MA Res ¡to ¡

study ¡possible ¡conspiracies ¡

Notes ¡on ¡correla-ons ¡

• Penalty ¡terms ¡constrain ¡varia-on ¡between ¡neutrinos ¡and ¡

an-neutrinos ¡and ¡νe/νµ

• For ¡(eg) ¡cross-­‑sec-on ¡uncertainty, ¡this ¡represents ¡theore-cal ¡

uncertainty ¡

• For ¡detector ¡effects, ¡we ¡can ¡(presumably) ¡measure ¡all ¡of ¡these ¡

independently ¡so ¡this ¡factor ¡es-mates ¡the ¡rela-ve ¡uncertain-es ¡ among ¡these ¡measurements ¡

• Significant ¡effect ¡on ¡results: ¡input ¡required ¡from ¡reconstruc-on ¡and ¡

calibra-on ¡groups ¡to ¡firm ¡up ¡the ¡inputs ¡for ¡these ¡quan--es ¡

• General ¡principles ¡so ¡far: ¡

– νe/νµ ¡uncorrelated ¡for ¡lepton ¡effects ¡ – ν/ν ¡uncorrelated ¡for ¡hadron ¡effects ¡(pessimis-c) ¡ – Correla-ons ¡assume ¡that ¡quan--es ¡can ¡be ¡measured ¡in ¡mul-ple ¡ modes ¡with ¡equal ¡precision, ¡so ¡the ¡rela-ve ¡uncertainty ¡is ¡taken ¡as ¡the ¡ quadrature ¡sum ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 11 ¡

Sample ¡CPV ¡Sensi-vity ¡Fit: ¡LepBias ¡

12 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

True: ¡δCP ¡= ¡-­‑π/2 ¡ Test: ¡δCP ¡= ¡0 ¡ LepBias ¡allows ¡ shij ¡to ¡lower ¡ energy, ¡ mimicking ¡δCP ¡ An-neutrinos ¡ have ¡to ¡shij ¡ the ¡same ¡way ¡ Disappearance ¡ mode ¡can’t ¡ constrain ¡νe ¡ energy ¡scale ¡

Sample ¡CPV ¡Sensi-vity ¡Fit: ¡LepBias ¡

π /

CP

δ

• 1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

0.2 0.4 0.6 0.8 1

2

χ ∆ = σ 1 2 3 4 5 6 7 8

CP Violation Sensitivity

π /

CP

δ

• 1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

0.2 0.4 0.6 0.8 1

2

χ ∆ = σ 1 2 3 4 5 6 7 8

DUNE Sensitivity Normal Hierarchy 257 kt-MW-years = 0.085

13

θ 2

2

sin = 0.45

23

θ

2

sin σ 3 σ 5

All, No systs

• nly, No systs

e

ν All, LepBias

• nly, LepBias

e

ν

CP Violation Sensitivity

13 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡

νe ¡only ¡fit ¡has ¡serious ¡ degrada-on: ¡we ¡rely ¡

• n ¡the ¡constraint ¡from ¡

an-neutrinos ¡in ¡the ¡4-­‑ sample ¡fit ¡ Previous ¡study ¡with ¡ different ¡assump-ons: ¡ not ¡for ¡direct ¡ comparison ¡with ¡ current ¡results ¡

Lepton ¡Bias ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 14 ¡

No ¡effect ¡for ¡ uncertainty ¡>3% ¡

Cross-­‑sec-on ¡+ ¡Lepton ¡Bias ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 15 ¡

Similar ¡conclusion ¡

Hadron ¡Bias ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 16 ¡

Solid ¡= ¡4 ¡sample ¡ Dashed ¡= ¡νe ¡only ¡

Cross-­‑Sec-on ¡+ ¡Hadron ¡Bias ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 17 ¡

Lepton ¡Smearing ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 18 ¡

Summary ¡

• Lepton ¡energy ¡scale ¡uncertainty ¡is ¡most ¡significant ¡effect ¡
• Need ¡to ¡determine ¡lepton ¡energy ¡scale ¡to ¡beler ¡than ¡3% ¡

to ¡improve ¡sensi-vity ¡of ¡4-­‑sample ¡fit ¡

• Ideally, ¡lepton ¡energy ¡scale ¡beler ¡than ¡1% ¡(difficult!) ¡
• There’s ¡a ¡lot ¡of ¡phase ¡space ¡– ¡not ¡just ¡a ¡simple ¡scan ¡over ¡

individual ¡parameters: ¡

– Effect ¡of ¡correla-ons ¡

• More ¡thought/feedback ¡needed ¡to ¡determine ¡appropriate ¡values ¡
• New ¡machinery ¡required ¡to ¡correctly ¡explore ¡combina-ons ¡
• f ¡detector ¡systema-cs ¡and ¡interface ¡with ¡LOAF ¡– ¡plan ¡

exists ¡but ¡no ¡ac-ve ¡work ¡yet ¡

• So ¡far ¡considering ¡high ¡level ¡effects; ¡will ¡eventually ¡want ¡to ¡

study ¡lower ¡level ¡calibra-on ¡uncertain-es ¡

ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 19 ¡