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 ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 2 ¡

M. ¡Bass ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 3 ¡

M. ¡Bass ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 4 ¡

M. ¡Bass ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 5 ¡

M. ¡Bass ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 6 ¡

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 ¡E reco ¡ to ¡E final ¡ – “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: ¡ NEtrue ∑ n i ( θ , f ) = R j ( f ) ⋅ P j ( θ ) ⋅ n j ⋅ S ij ¡ j • Energy ¡response ¡func-ons ¡(new): ¡ NEtrue NEreco ∑ ∑ n i ( θ , f ) = P j ( θ ) ⋅ n j ⋅ R ik ( f ) ⋅ S kj j k 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 ¡ S ij ! show ¡minimal ¡differences ¡when ¡considering ¡different ¡ordering ¡of ¡ combina-ons. ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 8 ¡

Example: ¡LepBias ¡ -­‑2 σ • E lepton ¡=> ¡(1 ¡+ ¡ σ ) ¡* ¡E lepton ¡ • σ ¡= ¡3% ¡(a ¡choice) ¡ • Response ¡matrices: ¡ 0 σ -­‑4 σ 4 σ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 9 ¡

Systema-cs ¡Considered ¡ LepSmear ¡ HadBias ¡ • • – Implemented ¡as ¡frac-onal ¡change ¡ – Implemented ¡as ¡simple ¡ in ¡lepton ¡resolu-on ¡ nonlinearity: ¡(1 ¡+ ¡ σ ) ¡* ¡E hadron-­‑system ¡ – 1 σ ¡= ¡2.5%, ¡5%, ¡10%, ¡20% ¡ – 1 σ ¡= ¡1%, ¡3%, ¡5%, ¡10% ¡ – σ ν µ = ¡1, ¡ σ ν / ν = ¡1 σ⊕ 1 σ , ¡ σ ν e / ν µ = ¡100, ¡ – σ ν µ = ¡1, ¡ σ ν / ν = ¡100, ¡ σ ν e / ν µ = ¡1 σ⊕ 1 σ , ¡ σ ντ / ν µ = ¡100 ¡ σ ντ / ν µ = ¡0.1 ¡ LepBias ¡ NeutronBias ¡(previously ¡ • • “HadBias”) ¡ – Implemented ¡as ¡simple ¡ nonlinearity: ¡(1 ¡+ ¡ σ ) ¡* ¡E lepton ¡ – Implemented ¡as ¡varia-on ¡in ¡ frac-on ¡of ¡neutron ¡energy ¡ – 1 σ ¡= ¡1%, ¡3%, ¡5%, ¡10% ¡ observed ¡ – σ ν µ = ¡1, ¡ σ ν / ν = ¡1 σ⊕ 1 σ , ¡ σ ν e / ν µ = ¡100, ¡ – 1 σ ¡= ¡20% ¡ σ ντ / ν µ = ¡100 ¡ – σ ν µ = ¡1, ¡ σ ν / ν = ¡100, ¡ σ ν e / ν µ = ¡0.025, ¡ HadSmear ¡ • σ ντ / ν µ = ¡0.1 ¡ – Implemented ¡as ¡frac-onal ¡change ¡ in ¡resolu-on ¡of ¡hadron ¡system ¡ Also ¡consider ¡combina-ons ¡of ¡ – 1 σ ¡= ¡2.5% ¡ these ¡with ¡M A QE ¡and ¡M A Res ¡to ¡ – σ ν µ = ¡1, ¡ σ ν / ν = ¡100, ¡ σ ν e / ν µ = ¡0.025, ¡ σ ντ / ν µ = ¡0.1 ¡ study ¡possible ¡conspiracies ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 10 ¡

Notes ¡on ¡correla-ons ¡ • Penalty ¡terms ¡constrain ¡varia-on ¡between ¡neutrinos ¡and ¡ an-neutrinos ¡and ¡ ν e / ν µ • 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: ¡ – ν e / ν µ ¡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 ¡ LepBias ¡allows ¡ shij ¡to ¡lower ¡ True: ¡ δ CP ¡= ¡-­‑ π /2 ¡ energy, ¡ Test: ¡ δ CP ¡= ¡0 ¡ mimicking ¡ δ CP ¡ An-neutrinos ¡ have ¡to ¡shij ¡ the ¡same ¡way ¡ Disappearance ¡ mode ¡can’t ¡ constrain ¡ ν e ¡ energy ¡scale ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 12 ¡

Sample ¡CPV ¡Sensi-vity ¡Fit: ¡LepBias ¡ CP Violation Sensitivity CP Violation Sensitivity Previous ¡study ¡with ¡ different ¡assump-ons: ¡ 8 8 DUNE Sensitivity All, No systs not ¡for ¡direct ¡ ν e ¡only ¡fit ¡has ¡serious ¡ only, No systs ν Normal Hierarchy e 7 7 All, LepBias 257 kt-MW-years comparison ¡with ¡ degrada-on: ¡we ¡rely ¡ only, LepBias ν 2 sin 2 = 0.085 θ e 13 current ¡results ¡ 2 on ¡the ¡constraint ¡from ¡ sin = 0.45 θ 6 6 23 an-neutrinos ¡in ¡the ¡4-­‑ 5 σ sample ¡fit ¡ 5 5 2 2 χ χ ∆ ∆ 4 4 = = σ σ 3 σ 3 3 2 2 1 1 0 0 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 / / δ δ π π CP CP ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 13 ¡

Lepton ¡Bias ¡ No ¡effect ¡for ¡ uncertainty ¡>3% ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 14 ¡

Cross-­‑sec-on ¡+ ¡Lepton ¡Bias ¡ Similar ¡conclusion ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 15 ¡

Hadron ¡Bias ¡ Solid ¡= ¡4 ¡sample ¡ Dashed ¡= ¡ ν e ¡only ¡ ETW: ¡Energy ¡systema-cs ¡ 16 ¡

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 ¡ of ¡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 ¡