Proton Decay with Large Liquid Scin5llator Detectors - - PowerPoint PPT Presentation

Proton ¡Decay ¡with ¡ Large ¡Liquid ¡Scin5llator ¡ Detectors ¡

R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

Planck ¡ ¡Scale ¡

Unifica5on ¡of ¡Forces ¡

¡LHC ¡ Scale ¡

We ¡can ¡only ¡access ¡GUT ¡scale ¡via ¡rare ¡processes ¡

quarks ¡and ¡leptons ¡ mix ¡via ¡new ¡gauge ¡ couplings ¡ ¡

Very ¡easy ¡to ¡see ¡in ¡water ¡Cherenkov ¡detectors ¡

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internuclear ¡ scaPering ¡

e+π0 mode ¡efficiency ¡

• ¡Probability ¡for ¡a ¡π0 ¡to ¡escape ¡an ¡oxygen ¡

nucleus ¡without ¡charge ¡exchange ¡or ¡scaPering ¡ is ¡only ¡42%. ¡This ¡is ¡the ¡major ¡inefficiency. ¡

• ¡H2O ¡Total ¡efficiency: ¡Oxygen ¡(28%), ¡H ¡(87%) ¡
• ¡For ¡argon ¡this ¡would ¡scale ¡(based ¡on ¡nuclear ¡

size) ¡to ¡29% ¡ ¡assuming ¡100% ¡reconstruc5on ¡

• efficiency. ¡
• ¡Expected ¡Background ¡is ¡0.7 ¡events/260 ¡kT-­‑yr ¡
• ¡Can ¡this ¡be ¡addressed ¡by ¡neutron ¡tagging? ¡

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Neutrons ¡from ¡Proton ¡Decay ¡in ¡Water ¡

• ¡2/10 ¡of ¡protons ¡are ¡free ¡protons. ¡No ¡neutrons. ¡
• ¡2/10 ¡of ¡protons ¡are ¡in ¡P1/2 ¡shell. ¡If ¡they ¡decay ¡nucleus ¡is ¡

already ¡in ¡the ¡ground ¡state. ¡No ¡neutrons ¡ ¡

• ¡4/10 ¡of ¡protons ¡are ¡in ¡P3/2 ¡shell. ¡If ¡they ¡decay ¡then ¡a ¡

P1/2 ¡proton ¡will ¡drop ¡down, ¡giving ¡a ¡6 ¡MeV ¡gamma. ¡No ¡

• neutrons. ¡(Ejiri ¡gives ¡94% ¡B.R. ¡for ¡this) ¡
• ¡~80% ¡of ¡proton ¡decays ¡should ¡give ¡neutrons ¡only ¡

indirectly ¡from ¡FSI. ¡(such ¡FSI ¡usually ¡makes ¡them ¡ undetectable ¡anyway) ¡This ¡is ¡fairly ¡model ¡independent. ¡ Ejiri's ¡more ¡detailed ¡es5mate ¡gives ¡81% ¡

• ¡Similar ¡numbers ¡for ¡neutron ¡decay. ¡

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Will ¡Proton ¡Decay ¡Result ¡in ¡Neutrons? ¡

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ANNIE ¡Experiment ¡ arXiv:1504.01480 ¡

e+π0 ¡in ¡a ¡100 ¡kT ¡WbLS ¡detector ¡

• SK ¡II ¡efficiencies ¡assumed ¡

for ¡HK ¡with ¡no ¡neutron ¡ tagging.0.7/260 ¡kTon ¡year ¡

• background. ¡
• ¡THEIA ¡with/without ¡

neutron ¡tagging ¡to ¡reduce ¡ background ¡by ¡90% ¡

• ¡DUNE ¡scaled ¡pion ¡escape ¡

probability ¡with ¡100% ¡ efficiency ¡

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DUNE ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ THEIA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Conclusion: ¡Hyper-­‑K ¡by ¡far ¡the ¡best ¡

SUSY ¡can ¡push ¡up ¡unifica5on ¡scale ¡

Example ¡of ¡a ¡possible ¡proton ¡ decay ¡through ¡supersymmetric ¡

• par5cles. ¡

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• ¡Very ¡liPle ¡inter-­‑nuclear ¡scaPering ¡
• ¡K+ ¡is ¡below ¡Cherenkov ¡threshold, ¡need ¡to ¡look ¡at ¡µ+ν ¡

and ¡pion ¡modes ¡– ¡overall ¡efficiency ¡of ¡19.1% ¡in ¡SK ¡ ¡

• ¡K+ ¡can ¡be ¡seen ¡directly ¡in ¡LS/WbLS ¡and ¡LAr ¡ ¡

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Free ¡protons ¡ Bound ¡ protons ¡

• K. ¡Abe, ¡PRD ¡90 ¡(2014) ¡

Free ¡protons ¡produce ¡ monoenerge5c ¡K's ¡ Bound ¡protons ¡have ¡a ¡ distribu5on ¡of ¡width ¡ ~100 ¡MeV ¡in ¡oxygen ¡

• ¡Hyper-­‑K ¡assumes ¡SK-­‑II ¡

(13.5%) ¡+3.5% ¡efficiency ¡ and ¡no ¡neutron ¡tagging, ¡ plus ¡SK-­‑II ¡(6.2 ¡events/ Mton-­‑yr) ¡

• ¡DUNE ¡assumes ¡37 ¡ktons ¡

and ¡100% ¡efficiency ¡and ¡ negligible ¡background ¡

• ¡THEIA ¡assumes ¡LENA-­‑

like ¡efficiency ¡and ¡ background ¡with ¡and ¡ without ¡neutron ¡tagging ¡ ¡

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DUNE ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ THEIA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

"Invisible" ¡Nucleon ¡Decay ¡

• ¡Neutron ¡decay ¡to ¡invisible ¡par5cles ¡
• ¡neutrinos ¡
• ¡sterile ¡neutrinos ¡
• ¡axions ¡
• ¡... ¡

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This ¡type ¡of ¡decay ¡has ¡been ¡associated ¡with ¡ theories ¡with ¡Large ¡Extra ¡Dimensions ¡(LED) ¡

Such ¡theories ¡postulate ¡that ¡the ¡fundamental ¡energy ¡ scale ¡of ¡gravity ¡is ¡not ¡MPlanck ¡but ¡rather ¡is ¡quite ¡small ¡ (M*), ¡and ¡the ¡reason ¡that ¡gravity ¡is ¡so ¡weak ¡is ¡due ¡ to ¡propaga5on ¡in ¡the ¡"folded ¡up" ¡extra ¡dimensions. ¡ A ¡challenge ¡is ¡to ¡suppress ¡proton ¡decay ¡by ¡other ¡than ¡ the ¡gauge ¡energy ¡scale ¡– ¡need ¡to ¡invoke ¡ ¡other ¡ mechanisms ¡to ¡do ¡this ¡and ¡there ¡are ¡many ¡sugges5ons, ¡ some ¡of ¡which ¡lead ¡to ¡this ¡decay ¡mode ¡being ¡important. ¡

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This ¡would ¡look ¡like ¡an ¡"invisible" ¡nucleon ¡decay ¡inside ¡ a ¡nucleus ¡which ¡would ¡leave ¡an ¡excited ¡daughter ¡and ¡nothing ¡

• else. ¡How ¡to ¡look ¡for ¡such ¡decays? ¡

An ¡Example... ¡

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A ¡neutron/proton ¡decay ¡in ¡the ¡1P ¡state ¡in ¡oxygen ¡produces ¡a ¡ 6 ¡MeV ¡gamma ¡ray ¡44% ¡of ¡the ¡5me, ¡unfortunately ¡neutron ¡ capture ¡on ¡D2O ¡also ¡produces ¡a ¡6 ¡MeV ¡gamma.... ¡ ¡

SNO+ ¡

• ¡No ¡D2O ¡– ¡good ¡thing ¡for ¡proton ¡decay ¡
• ¡major ¡background ¡will ¡be ¡from ¡reactor ¡

neutrinos ¡

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SNO: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2x1029 ¡years ¡ SNO+: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡>2x1030 ¡years ¡ ¡

KamLAND ¡

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Look ¡for ¡triple ¡coincidence ¡following ¡neutron ¡ emission ¡from ¡a ¡1s ¡state ¡hole: ¡fast ¡neutron ¡scaPer, ¡ neutron ¡capture, ¡daughter ¡beta ¡decay ¡

KamLAND ¡

• ¡Not ¡background ¡limited, ¡but ¡low ¡efficiency ¡

due ¡to ¡1s ¡state ¡and ¡long ¡life5mes ¡of ¡daughters ¡

• ¡1 ¡background ¡event ¡so ¡far ¡

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KamLAND: ¡ ¡ ¡5.8x1029 ¡years ¡

Deep ¡WbLS ¡detector ¡

• ¡For ¡WbLS ¡we ¡can ¡use ¡oxygen ¡
• ¡Can ¡reject ¡reactor ¡events ¡via ¡neutron ¡tagging ¡
• ¡Can ¡remove ¡>90% ¡of ¡solar ¡neutrinos ¡in ¡this ¡

range ¡

• ¡Deep ¡depth ¡reduces ¡spalla5on ¡ ¡

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• Use ¡1p ¡states ¡
• ¡neutron ¡tagging ¡
• ¡negligible ¡spalla5on ¡

backgrounds ¡ ¡

• SNO+ ¡saturates ¡on ¡

reactor ¡neutrinos ¡

• ¡KamLAND ¡has ¡small ¡

efficiency ¡

• ¡JUNO? ¡rela5vely ¡

shallow ¡ ¡and ¡no ¡oxygen ¡

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THEIA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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Conclusions ¡

• ¡proton ¡decay ¡is ¡one ¡of ¡the ¡few ¡ways ¡to ¡access ¡

physics ¡at ¡GUT ¡scales ¡

• proton ¡decay ¡into ¡invisible ¡modes ¡suggested ¡

by ¡LED ¡models ¡is ¡a ¡place ¡where ¡a ¡deep ¡WbLS ¡ detector ¡will ¡be ¡very ¡effec5ve ¡(factor ¡1000 ¡ improvement) ¡

• some ¡improvement ¡in ¡neutrino-­‑kaon, ¡but ¡can ¡

also ¡be ¡done ¡at ¡JUNO ¡ ¡

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