Robert J. Wilson Colorado State University 26 th - PowerPoint PPT Presentation

Robert ¡J. ¡Wilson ¡ Colorado ¡State ¡University ¡ 26 th International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics Boston, USA June 4 th , 2014

Robert ¡J. ¡Wilson ¡ Colorado ¡State ¡University ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ 26 th International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics Boston, USA June 4 th , 2014

Overview ¡ — Long-­‑Baseline ¡Neutrino ¡Experiment ¡CollaboraBon ¡ — Science ¡MoBvaBon ¡ — Long-­‑Baseline ¡Science ¡ — Underground ¡Science ¡ — LBNE ¡Project ¡ — DOE ¡PrioriBzaBon ¡Panel ¡(P5) ¡Report ¡ — Summary ¡and ¡Conclusions ¡ R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 3 ¡

LBNE ¡CollaboraBon ¡ UFABC ¡ Michigan ¡State ¡ Alabama ¡ Milano ¡ 505 ¡(126 ¡non-­‑US) ¡members, ¡ ¡ Argonne ¡ Milano/Bicocca ¡ Banaras ¡ Minnesota ¡ Boston ¡ MIT ¡ Brookhaven ¡ 88 ¡(34 ¡non-­‑US) ¡insBtuBons, ¡ ¡ Napoli ¡ Cambridge ¡ NGA ¡ Catania/INFN ¡ New ¡Mexico ¡ CBPF ¡ 8 ¡countries ¡ Northwestern ¡ Charles ¡U ¡ Notre ¡Dame ¡ Chicago ¡ Oxford ¡ Cincinnati ¡ Padova ¡ Colorado ¡ ¡ Panjab ¡ Colorado ¡State ¡ Pavia ¡ Columbia ¡ Pennsylvania ¡ Czech ¡Technical ¡U ¡ Pittsburgh ¡ Dakota ¡State ¡ Princeton ¡ Delhi ¡ Rensselaer ¡ Davis ¡ Rochester ¡ Drexel ¡ Rutherfod ¡Lab ¡ Duke ¡ Sanford ¡Lab ¡ Duluth ¡ Sheffield ¡ Fermilab ¡ SLAC ¡ FZU ¡ South ¡Carolina ¡ Goias ¡ South ¡Dakota ¡ Gran ¡Sasso ¡ South ¡Dakota ¡State ¡ GSSI ¡ SDSMT ¡ HRI ¡ Southern ¡Methodist ¡ Hawaii ¡ Sussex ¡ Houston ¡ Syracuse ¡ IIT ¡Guwahati ¡ Tennessee ¡ Indiana ¡ ¡ Texas, ¡Arlington ¡ Since ¡DOE ¡CD-­‑1 ¡approval ¡(December ¡2012): ¡ Iowa ¡State ¡ Texas, ¡Austin ¡ Irvine ¡ Tufts ¡ Kansas ¡State ¡ UCLA ¡ Kavli/IPMU-­‑Tokyo ¡ — CollaboraBon ¡has ¡increase ¡in ¡size ¡by ¡more ¡ UEFS ¡ Lancaster ¡ UNICAMP ¡ Lawrence ¡Berkeley ¡ ¡NL ¡ UNIFAL ¡ than ¡40% ¡ Livermore ¡NL ¡ Virginia ¡Tech ¡ Liverpool ¡ Warwick ¡ London ¡UCL ¡ Washington ¡ Los ¡Alamos ¡NL ¡ William ¡and ¡Mary ¡ — Non-­‑US ¡fracBon ¡has ¡more ¡than ¡doubled ¡ ¡ Louisiana ¡State ¡ Wisconsin ¡ Manchester ¡ Yale ¡ Maryland ¡ Yerevan ¡ R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 4 ¡

ScienBfic ¡MoBvaBon ¡ — CP ¡ViolaBon ¡in ¡neutrino ¡sector ¡ — ViolaBon ¡of ¡a ¡fundamental ¡symmetry ¡of ¡nature; ¡ ¡ viability ¡of ¡leptogenesis ¡models-­‑>ma\er/anBma\er ¡ — Neutrino ¡Mass ¡Hierarchy ¡ — GUTs, ¡Dirac ¡vs. ¡Majorana ¡nature ¡and ¡feasibility ¡of ¡0 νββ ¡ decay ¡ — TesBng ¡the ¡Three-­‑Flavor ¡Paradigm ¡ — Precision ¡measurements ¡of ¡known ¡fundamental ¡mixing ¡ parameters ¡for ¡neutrinos ¡and ¡anB-­‑neutrinos ¡ — New ¡physics ¡-­‑> ¡non-­‑standard ¡interacBons, ¡sterile ¡ neutrinos… ¡(beam ¡+ ¡atmospheric ¡ ν ¡sources) ¡ ¡ — Precision ¡neutrino ¡interacBons ¡studies ¡(near ¡detector) ¡ R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 5 ¡

ScienBfic ¡MoBvaBon ¡ Fundamental ¡physics ¡enabled ¡by ¡massive ¡detectors ¡ underground ¡ — Nucleon ¡Decay ¡ — Is ¡normal ¡ma\er ¡stable? ¡ — Grand ¡UnificaBon ¡Theory ¡ — Astrophysics ¡ — Supernova ¡ ν ¡ burst ¡– ¡evoluBon ¡of ¡a ¡stellar ¡collapse ¡ R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 6 ¡

Long-­‑Baseline ¡Measurements ¡ MINOS ¡& ¡NO ν A ¡ ¡ ¡ Current ¡long-­‑baseline ¡neutrino ¡ experiments ¡ MiniBooNe ¡ ArgoNeut ¡ MicroBooNe ¡ R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 7 ¡

Long-­‑Baseline ¡Measurements ¡ MINOS ¡& ¡NO ν A ¡ ¡ ¡ Current ¡long-­‑baseline ¡neutrino ¡ experiments ¡ ν ¡ ν ¡ 1 3 0 0 ¡ ν ¡ k m ¡ MiniBooNe ¡ ν ¡ ν ¡ ArgoNeut ¡ ν ¡ LBNE ¡ MicroBooNe ¡ Comprehensive CP Violation, Mass Hierarchy, Non-Standard Interactions Need Longer Baseline and High Intensity Broadband Neutrino/Anti-Neutrino Beam R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 8 ¡

OscillaBons…what ¡we ¡know ¡ — Magnitudes ¡of ¡ Δ m 31 2 , ¡ Δ m 21 2 , ¡ θ 12 ¡ are ¡well-­‑measured ¡(few ¡%) ¡ — θ 23 ¡is ¡large, ¡possibly ¡maximal ¡– ¡measurement ¡<15% ¡ — θ 13 ¡ is ¡now ¡well-­‑measured ¡and ¡large ¡enough ¡so ¡event ¡rates ¡are ¡ sufficient ¡for ¡CP ¡and ¡MH ¡measurements ¡ — Less ¡than ¡two ¡years ¡ago ¡we ¡were ¡sBll ¡afraid ¡it ¡was ¡zero! ¡ — Ma\er ¡induced ¡asymmetry ¡should ¡be ¡large ¡(~40% ¡for ¡LBNE) ¡and ¡ separable ¡from ¡CP ¡asymmetry ¡at ¡appropriately ¡chosen ¡neutrino ¡ energy ¡and ¡baseline ¡ — We ¡can ¡accurately ¡predict ¡the ¡events ¡rates ¡for ¡unknown ¡CP ¡ phase ¡angles ¡and ¡mass ¡hierarchy ¡in ¡the ¡three-­‑flavor ¡model ¡ R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 9 ¡

EssenBal ¡Experimental ¡Technique ¡ ν µ ¡ disappearance ¡ (Broadband) ¡ 7,000 ¡evts ¡ Unoscillated ¡ ¡ spectrum ¡ ν e ¡ — Produce ¡a ¡pure ¡ ν µ ¡muon-­‑neutrino ¡beam ¡with ¡energy ¡ spectrum ¡matched ¡to ¡oscillaBon ¡pa\ern ¡at ¡the ¡chosen ¡ 780 ¡evts ¡ distance ¡ (340 ¡IH) ¡ — Measure ¡spectrum ¡of ¡ ν µ and ¡ ν e ¡at ¡a ¡distant ¡detector ¡ ¡ — LBNE ¡is ¡a ¡near ¡opFmal ¡choice ¡of ¡beam ¡and ¡distance ¡for ¡sensiFvity ¡to ¡CP ¡ violaFon, ¡CP ¡phase, ¡neutrino ¡mass ¡hierarchy ¡and ¡other ¡oscillaFon ¡ ¡ parameters ¡ in ¡same ¡experiment ¡ 10 ¡

Mass ¡Hierarchy ¡and ¡CP ¡ViolaBon ¡SensiBvity ¡ Exposure ¡245 ¡kt.MW.yr ¡ 34 ¡kt ¡x ¡1.2 ¡MW ¡x ¡(3 ν +3 ν ) ¡yr ¡ OpBmized ¡beam ¡ & ¡systemaBcs ¡goal ¡ Atmos.nu ¡ UnopBmized ¡beam ¡ Atmos.nu ¡ & ¡poor ¡systemaBcs ¡ Band ¡is ¡range ¡of ¡beam ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡systemaBcs ¡assumpBons ¡ — Mass ¡hierarchy ¡is ¡very ¡well ¡determined ¡over ¡most ¡of ¡ δ CP ¡range ¡ — CPV ¡> ¡3 σ ¡over ¡most ¡of ¡range ¡and ¡> ¡5 σ ¡for ¡maximal ¡CPV ¡ — Atmospheric ¡neutrinos ¡in ¡LBNE ¡provide ¡ — ¡an ¡independent ~ Δχ 2 =4 ¡cross-­‑check ¡on ¡MH ¡ — ~1 σ ¡increased ¡CPV ¡sensiBvity ¡if ¡combined ¡with ¡beam ¡ 11 ¡

arXiv:1311.0212 ¡ Poster ¡#153 ¡-­‑ ¡ ¡L. ¡Whitehead ¡ Baseline ¡OpBmizaBon ¡ CP ¡Violation ¡ Mass ¡Hierarchy ¡ — Based ¡on ¡simulaFons ¡for ¡Fermilab ¡NuMI ¡120-­‑GeV, ¡1.2 ¡MW ¡proton ¡beam ¡ — Target-­‑1 st ¡horn ¡distance ¡tuned ¡to ¡cover ¡1 st ¡oscillaBon ¡node ¡+ ¡part ¡of ¡2 nd ¡ — Decay ¡pipe ¡length ¡tuned ¡(280-­‑580 ¡m) ¡ — For ¡short ¡baselines ¡(<1000 ¡km) ¡use ¡off-­‑axis ¡beam ¡simulaBon ¡to ¡produce ¡most ¡flux ¡ — Baselines ¡1000-­‑1300 ¡km ¡near ¡opFma l ¡ — For ¡very ¡long ¡baselines ¡event ¡rate ¡suppression ¡in ¡one ¡of ¡beam ¡polariBes ¡makes ¡ observaBon ¡of ¡explicit ¡CP-­‑violaBon ¡asymmetry ¡difficult ¡

Deep ¡Underground ¡Science ¡ ν ¡ 1300 ¡km ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ R.J.Wilson/Colorado ¡State ¡University ¡ 13 ¡

Supernova ¡Burst ¡Neutrinos ¡ 300000000000000000 ¡km ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ ν ¡ • When ¡a ¡star's ¡core ¡collapses ¡~99% ¡of ¡the ¡gravitaBonal ¡binding ¡energy ¡of ¡the ¡ proto-­‑neutron ¡star ¡goes ¡into ¡ν’s ¡ • SN ¡at ¡galacBc ¡core ¡(10 ¡kpc) ¡ ⇒ ¡ ¡several ¡thousand ¡interacBons ¡ ¡ in ¡35 ¡kt ¡LArTPC ¡in ¡tens ¡of ¡seconds ¡– ¡reconstructed ¡w/ ¡sub-­‑millisec ¡precision ¡ • Talks ¡by ¡C. ¡Lunardini ¡and ¡K. ¡Scholberg; ¡poster ¡#99 ¡F. ¡Rossi ¡Torres ¡ 14 ¡ ¡