Proposal: the 2 nd Hyper-K detector in Korea Sunny (Seon-Hee) Seo - PowerPoint PPT Presentation

Proposal: the 2 nd Hyper-K detector in Korea Sunny ¡(Seon-­‑Hee) ¡Seo ¡ Seoul ¡Na/onal ¡University ¡ 1 st ¡T2HKK ¡Workshop ¡ Nov. ¡21st ¡2016, ¡ Seoul ¡

The first 3 minutes of T2HKK March 20 th 2016, Fermilab Yes ¡! ¡ Korea ¡is ¡a ¡good ¡candidate ¡site ¡ Michael ¡Wilking ¡ for ¡a ¡future ¡neutrino ¡physics ¡ Akira ¡Konaka ¡ using ¡ ν ¡beam ¡from ¡J-­‑PARC. ¡ Are ¡you ¡guys ¡really ¡interested ¡ ¡ Yes ¡! ¡ in ¡doing ¡this ¡(= ¡T2HKK) ¡? ¡ Sunny ¡Seo ¡ Mark ¡Hartz ¡

T2HKK Inauguration July 10 th 2016, London ¡Mee'ng ¡a+er ¡the ¡first ¡T2HKK ¡proposal ¡talk ¡in ¡London ¡

T2HKK White Paper November 21 st 2016 ~ ¡4 ¡months ¡later ¡ from ¡the ¡inaugura/on ¡ arXiv:1611.xxxx ¡ (60 ¡pages) ¡

T2HKK White Paper Editors Special ¡thanks ¡to ¡ ¡the ¡editors… ¡ Tsuyoshi ¡Nakaya ¡ Tom ¡Dealtry ¡ • • Carsten ¡RoS ¡ Mark ¡Hartz ¡ • • Sunny ¡Seo ¡ Yoshitaka ¡Itow ¡ • • Masato ¡Shiozawa ¡ Soo-­‑Bong ¡Kim ¡ • • Francesca ¡Di ¡Lodovico ¡ Pyungwon ¡Ko ¡ • • Hirohisa ¡Tanaka ¡ Takashi ¡Kobayashi ¡ • • Masashi ¡Yokoyama ¡ Akira ¡Konaka ¡ • • All ¡of ¡you ¡are ¡very ¡welcome ¡to ¡contribute ¡to ¡T2HKK ¡! ¡ Just ¡let ¡us ¡know. ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 5 ¡

T2KK à T2HKK H. ¡Minakata’s ¡talk ¡ km ¡ km ¡ km ¡ km ¡ km ¡ km ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 6 ¡

Off-axis Beam Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 7 ¡

Pion ¡mass ¡ A. Rubbia, T2KK07 Pion ¡energy ¡ Pion ¡ ¡ momentum ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 8 ¡

T2HKK Physics Reach M. ¡Ishitsuka’s ¡talk ¡ q Physics ¡programs: ¡the ¡same ¡as ¡the ¡Hyper-­‑K ¡ q Physics ¡sensi'vi'es: ¡beGer ¡ in ¡the ¡following ¡topics ¡ § CP ¡viola'on ¡phase ¡measurement ¡ Beam ¡ ¡ § Neutrino ¡mass ¡ordering ¡determina'on ¡ neutrinos ¡ § Non-­‑standard ¡neutrino ¡interac/on ¡ § Solar ¡neutrinos ¡physics ¡ ¡neutrinos ¡ § Supernova ¡neutrinos ¡ from ¡nature ¡ § Geo ¡neutrinos ¡ § Low ¡energy ¡dark ¡maSer ¡search ¡ § Etc… ¡ T2HKK ¡can ¡serve ¡as ¡a ¡neutrino ¡telescope ¡for ¡20~30 ¡years. ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 9 ¡

CP ¡viola'on ¡in ¡leptonic ¡sector ¡ • MaSer ¡an/-­‑maSer ¡ ¡ • flavor ¡symmetry ¡models ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡asymmetry ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡of ¡neutrino ¡mixing ¡ 10 ¡

NO: ¡Normal ¡Ordering ¡ Neutrino ¡mass ¡ordering ¡ ¡ IO: ¡Inverted ¡Ordering ¡ • GUT ¡ à ¡NO ¡ ¡ • Origin ¡of ¡the ¡universe ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ à ¡IO ¡ ¡ • Connec/on ¡to ¡Dirac ¡or ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Majorana ¡nature ¡of ¡ ν ¡ ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 11 ¡

ν e appearance probability: address 3 key parameters If ¡Normal/Inverted ¡Ordering, ¡ ¡ Mass ¡ordering ¡ (-­‑/+) ¡sign ¡is ¡for ¡ ν θ 23 ¡and ¡octant ¡ (+/-­‑) ¡sign ¡is ¡for ¡ ν ( _ ) ¡ ( _ ) ¡ CP ¡ suppressed ¡by ¡sin 4 θ 13 ¡ solar ¡term: ¡suppressed ¡by ¡Δ 2 21 ¡ 2% ¡correc/on ¡to ¡the ¡1 st ¡term ¡ O(10 -­‑3 ) ¡@ ¡1 st ¡osc. ¡Max ¡ O(10 -­‑2 ) ¡@ ¡2 nd ¡osc. ¡Max ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 12 ¡

ν e appearance probability (mass ordering) If ¡Normal/Inverted ¡Ordering, ¡ ¡ Mass ¡ordering ¡ (-­‑/+) ¡sign ¡is ¡for ¡ ν r A ¡ = ¡6% ¡@0.6GeV ¡ (+/-­‑) ¡sign ¡is ¡for ¡ ν ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡9% ¡@0.9GeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡12% ¡@1.2GeV ¡ ( _ ) ¡ ( _ ) ¡ 1) ¡The ¡amplitude ¡of ¡the ¡oscilla/on ¡is ¡enhanced ¡or ¡suppressed ¡ ¡via ¡the ¡ ¡(1 ¡-­‑/+ ¡r A ) 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡in ¡the ¡denominator, ¡which ¡@ ¡1.2GeV ¡is ¡a ¡± ¡24% ¡effect. ¡ ¡ 2) ¡ the ¡energy ¡posi/on ¡of ¡the ¡oscilla/on ¡extrimum, ¡this ¡especially ¡apparent ¡in ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1 st ¡ oscilla/on ¡minimum, ¡i.e., ¡ ¡L/E ¡≈ ¡4 π ¡/ ¡( ¡ Δ 31 ¡* ¡(1 ¡-­‑/+ ¡r A )) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡this ¡changes ¡the ¡energy ¡posi/on ¡of ¡the ¡first ¡oscilla/on ¡minimum ¡by ¡± ¡10%. ¡

Off-axis Beam and Matter Density g/cm 3 ¡ MaSer ¡term: ¡ More ¡maSer ¡effects ¡ ¡ g/cm 3 ¡ à ¡beSer ¡MO ¡determina/on ¡ • Longer ¡baseline ¡ • Higher ¡maSer ¡density ¡ • Higher ¡neutrino ¡energy ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 14 ¡

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δ CP & MO Sensitivity Studies See ¡M. ¡Hartz’s ¡talk ¡ Simula'on ¡parameters ¡ for ¡more ¡details ¡ • 2.7x10 22 ¡POT ¡with ¡ν ¡: ¡ν ¡= ¡1 ¡: ¡3 ¡opera/on ¡ra/o ¡ ¡ ¡ ¡ à ¡10 ¡years ¡of ¡opera/on ¡with ¡1.3 ¡MW ¡beam ¡ • 187 ¡kton ¡fiducial ¡volume ¡(compared ¡to ¡22.5 ¡kton ¡for ¡SK) ¡ • Baseline ¡to ¡Korea ¡is ¡1100 ¡km ¡ • Off-­‑axis ¡beam: ¡ ¡1.5 o , ¡2.0 o , ¡2.5 o ¡ • Oscilla/on ¡parameters: ¡ ¡ u Note: ¡Rela/vely ¡simple ¡systema/c ¡uncertainty ¡model ¡is ¡used. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡More ¡realis/c ¡systema/c ¡uncertainty ¡implementa/on ¡is ¡needed. ¡

Mass Ordering Sensitivities Significance ¡( σ ) ¡ Significance ¡( σ ) ¡ HK+KD ¡1.5 o : ¡ ¡ ¡6 ¡~ ¡8 ¡ σ ¡for ¡all ¡ δ CP HK+KD ¡1.5 o : ¡ ¡ ¡5.5 ¡~ ¡7 ¡ σ ¡for ¡all ¡ δ CP HK ¡x2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ ¡ ¡1 ¡~ ¡4.5 ¡ ¡ σ ¡for ¡all ¡ δ CP ¡ HK ¡x2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ ¡ ¡1 ¡~ ¡5 ¡ ¡ σ ¡for ¡all ¡ δ CP ¡ (< 3 σ for ¡most ¡cases ) (< 3 σ for ¡most ¡cases ) Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 17 ¡

ν e appearance probability: CP violation ( _ ) ¡ ( _ ) ¡ CP ¡ L/E ¡= ¡(π/2) χ (4/Δ 31 ) ¡for ¡1 st ¡max. ¡and ¡(3π/2) χ (4/Δ 31 ) ¡for ¡2 nd ¡max.: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡L/E ¡ ¡ ¡ ¡ à à ¡ ¡ ¡x3 ¡more ¡CP ¡effect ¡@ ¡2nd ¡max ¡ Degeneracies ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡sin2θ 23 ¡ à ¡More ¡precise ¡study ¡to ¡be ¡done ¡by ¡T2K/HK ¡ ¡ ¡-­‑ ¡maSer ¡(1+r A ) ¡term ¡causes ¡“discrete” ¡degeneracy ¡with ¡CP ¡when ¡MO ¡is ¡unknown ¡ ¡ ¡-­‑ ¡degeneracy ¡in ¡phase ¡with ¡Δ 31 ¡limits ¡CP ¡phase ¡resolu/on: ¡2nd ¡max. ¡@T2HKK ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡needed ¡ 18 ¡

HK ¡x ¡1 ¡(295 ¡km) ¡ ν e ¡candidates ¡ KD ¡(1100 ¡km) ¡ x3 ¡more ¡ ¡ CP ¡effect ¡ ¡ x3 ¡more ¡ ¡ CP ¡effect ¡ ¡

δ CP Sensitivities Known ¡ ¡ MO ¡ Unknown ¡ ¡ MO ¡

δ CP Precision Sensitivities à ¡Important ¡for ¡flavor ¡symmetry ¡model ¡of ¡neutrino ¡mixing ¡ At ¡maximum ¡CP ¡viola/on: ¡ ¡HK+KD ¡1.5 o : ¡ σ ( δ CP ) ¡= ¡13~14 ¡degree ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡HK ¡x2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡: ¡ σ ( δ CP ) ¡~ ¡17 ¡degree ¡ Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 21 ¡

Fraction of δ CP How ¡much ¡frac/on ¡of ¡ ¡ δ CP can we cover ? Sunny ¡Seo, ¡SNU ¡ T2HKK ¡Workshop ¡2016 ¡@ ¡SNU, ¡Seoul ¡ 22 ¡