Low exposure long-baseline neutrino oscillation sensitivity of the DUNE experiment

Abud A.A.; Abi B.; Acciarri R.; Acero M.A.; Adames M.R.; Adamov G.; Adams D.; Adinolfi M.; Aduszkiewicz A.; Aguilar J.; Ahmad Z.; Ahmed J.; Aimard B.; Ali-Mohammadzadeh B.; Alion T.; Allison K.; Monsalve S.A.; Alrashed M.; Alt C.; Alton A.; Amedo P.; Anderson J.; Andreopoulos C.; Andreotti M.; Andrews M.P.; Andrianala F.; Andringa S.; Anfimov N.; Ankowski A.; Antoniassi M.; Antonova M.; Antoshkin A.; Antusch S.; Aranda-Fernandez A.; Arnold L.O.; Arroyave M.A.; Asaadi J.; Asquith L.; Aurisano A.; Aushev V.; Autiero D.; Ayala-Torres M.; Azfar F.; Back A.; Back H.; Back J.J.; Backhouse C.; Bagaturia I.; Bagby L.; Balashov N.; Balasubramanian S.; Baldi P.; Baller B.; Bambah B.; Barao F.; Barenboim G.; Barker G.J.; Barkhouse W.; Barnes C.; Barr G.; Monarca J.B.; Barros A.; Barros N.; Barrow J.L.; Basharina-Freshville A.; Bashyal A.; Basque V.; Belchior E.; Battat J.B.R.; Battisti F.; Bay F.; Alba J.L.B.; Beacom J.F.; Bechetoille E.; Behera B.; Bellantoni L.; Bellettini G.; Bellini V.; Beltramello O.; Benekos N.; Montiel C.B.; Neves F.B.; Berger J.; Berkman S.; Bernardini P.; Berner R.M.; Bertolucci S.; Betancourt M.; Rodríguez A.B.; Bevan A.; Bezawada Y.; Bezerra T.J.C.; Bhardwaj A.; Bhatnagar V.; Bhattacharjee M.; Bhuller S.; Bhuyan B.; Biagi S.; Bian J.; Biassoni M.; Biery K.; Bilki B.; Bishai M.; Bitadze A.; Blake A.; Blaszczyk F.D.M.; Blazey G.C.; Blucher E.; Boissevain J.; Bolognesi S.; Bolton T.; Bomben L.; Bonesini M.; Bongrand M.; Bonilla-Diaz C.; Bonini F.; Booth A.; Boran F.; Bordoni S.; Borkum A.; Bostan N.; Bour P.; Bourgeois C.; Boyden D.; Bracinik J.; Braga D.; Brailsford D.; Branca A.; Brandt A.; Bremer J.; Brew C.; Brice S.J.; Brizzolari C.; Bromberg C.; Brooke J.; Bross A.; Brunetti G.; Brunetti M.; Buchanan N.; Budd H.; Butorov I.; Cagnoli I.; Caiulo D.; Calabrese R.; Calafiura P.; Calcutt J.; Calin M.; Calvez S.; Calvo E.; Caminata A.; Campanelli M.; Caratelli D.; Carini G.; Carlus B.; Carneiro M.F.; Carniti P.; Terrazas I.C.; Carranza H.; Carroll T.; Forero J.F.C.; Castillo A.; Castromonte C.; Catano-Mur E.; Cattadori C.; Cavalier F.; Cavanna F.; Centro S.; Cerati G.; Cervelli A.; Villanueva A.C.; Chalifour M.; Chappell A.; Chardonnet E.; Charitonidis N.; Chatterjee A.; Chattopadhyay S.; Chen H.; Chen M.; Chen Y.; Chen Z.; Cheon Y.; Cherdack D.; Chi C.; Childress S.; Chiriacescu A.; Chisnall G.; Cho K.; Choate S.; Chokheli D.; Chong P.S.; Christensen A.; Christian D.; Christodoulou G.; Chukanov A.; Chung M.; Church E.; Cicero V.; Clarke P.; Coan T.E.; Cocco A.G.; Coelho J.A.B.; Colton N.; Conley E.; Conley R.; Conrad J.M.; Convery M.; Copello S.; Cremaldi L.; Cremonesi L.; Crespo-Anadón J.I.; Crisler M.; Cristaldo E.; Cross R.; Cudd A.; Cuesta C.; Cui Y.; Cussans D.; Dalager O.; Da Motta H.; Peres L.D.S.; David C.; David Q.; Davies G.S.; Davini S.; Dawson J.; De K.; Debbins P.; De Bonis I.; Decowski M.P.; De Gouvêa A.; De Holanda P.C.; Astiz I.L.D.I.; Deisting A.; De Jong P.; Delbart A.; Delepine D.; Delgado M.; Dell'acqua A.; De Lurgio P.; Neto J.R.T.D.M.; Demuth D.M.; Dennis S.; Densham C.; Deptuch G.W.; De Roeck A.; De Romeri V.; De Souza G.; Devi R.; Dharmapalan R.; Dias M.; Diaz F.; Díaz J.S.; Di Domizio S.; Di Giulio L.; Ding P.; Di Noto L.; Distefano C.; Diurba R.; Diwan M.; Djurcic Z.; Doering D.; Dolan S.; Dolek F.; Dolinski M.J.; Domine L.; Douglas D.; Douillet D.; Drake G.; Drielsma F.; Duarte L.; Duchesneau D.; Duffy K.; Dunne P.; Duyang H.; Dvornikov O.; Dwyer D.A.; Dyshkant A.S.; Eads M.; Earle A.; Edmunds D.; Eisch J.; Emberger L.; Emery S.; Ereditato A.; Erjavec T.; Escobar C.O.; Eurin G.; Evans J.J.; Ewart E.; Ezeribe A.C.; Fahey K.; Falcone A.; Fani M.; Farnese C.; Farzan Y.; Fedoseev D.; Felix J.; Feng Y.; Fernandez-Martinez E.; Menendez P.F.; Morales M.F.; Ferraro F.; Fields L.; Filip P.; Filthaut F.; Fiorentini A.; Fiorini M.; Fitzpatrick R.S.; Flanagan W.; Fleming B.; Flight R.; Fogarty S.; Foreman W.; Forero D.V.; Fowler J.; Fox W.; Franc J.; Francis K.; Franco D.; Freeman J.; Freestone J.; Fried J.; Friedland A.; Robayo F.F.; Fuess S.; Furic I.K.; Furmanski A.P.; Gabrielli A.; Gago A.; Gallagher H.; Gallas A.; Gallego-Ros A.; Gallice N.; Galymov V.; Gamberini E.; Gamble T.; Ganacim F.; Gandhi R.; Gandrajula R.; Gao F.; Gao S.; Garcia-Gamez D.; García-Peris M.Á.; Gardiner S.; Gastler D.; Gauvreau J.; Ge G.; Geffroy N.; Gelli B.; Gendotti A.; Gent S.; Ghorbani-Moghaddam Z.; Giammaria P.; Giammaria T.; Gibin D.; Gil-Botella I.; Gilligan S.; Girerd C.; Giri A.K.; Gnani D.; Gogota O.; Gold M.; Gollapinni S.; Gollwitzer K.; Gomes R.A.; Bermeo L.V.G.; Fajardo L.S.G.; Gonnella F.; Gonzalez-Cuevas J.A.; Gonzalez-Diaz D.; Gonzalez-Lopez M.; Goodman M.C.; Goodwin O.; Goswami S.; Gotti C.; Goudzovski E.; Grace C.; Gran R.; Granados E.; Granger P.; Grant A.; Grant C.; Gratieri D.; Green P.; Greenler L.; Greer J.; Grenard J.; Griffith W.C.; Groh M.; Grudzinski J.; Grzelak K.; Gu W.; Guardincerri E.; Guarino V.; Guarise M.; Guenette R.; Guerard E.; Guerzoni M.; Guffanti D.; Guglielmi A.; Guo B.; Gupta V.; Guthikonda K.K.; Gutierrez R.; Guzowski P.; Guzzo M.M.; Gwon S.; Ha C.; Habig A.; Hadavand H.; Haenni R.; Hahn A.; Haiston J.; Hamacher-Baumann P.; Hamernik T.; Hamilton P.; Han J.; Harris D.A.; Hartnell J.; Hartnett T.; Harton J.; Hasegawa T.; Hasnip C.; Hatcher R.; Hatfield K.W.; Hatzikoutelis A.; Hayes C.; Hayrapetyan K.; Hays J.; Hazen E.; He M.; Heavey A.; Heeger K.M.; Heise J.; Henry S.; Morquecho M.A.H.; Herner K.; Hewes J.; Hill T.; Hillier S.J.; Himmel A.; Hinkle E.; Hirsch L.R.; Ho J.; Hoff J.; Holin A.; Hoppe E.; Horton-Smith G.A.; Hostert M.; Hourlier A.; Howard B.; Howell R.; Hristova I.; Hronek M.S.; Huang J.; Iles G.; Ilic N.; Iliescu A.M.; Illingworth R.; Ingratta G.; Ioannisian A.; Irwin B.; Isenhower L.; Itay R.; Jackson C.M.; Jain V.; James E.; Jang W.; Jargowsky B.; Jediny F.; Jena D.; Jeong Y.S.; Jesús-Valls C.; Ji X.; Jiang L.; Jiménez S.; Jipa A.; Johnson R.; Johnston N.; Jones B.; Jones S.B.; Judah M.; Jung C.K.; Junk T.; Jwa Y.; Kabirnezhad M.; Kaboth A.; Kadenko I.; Kaira D.; Kakorin I.; Kalitkina A.; Kamiya F.; Kaneshige N.; Karagiorgi G.; Karaman G.; Karcher A.; Karolak M.; Karyotakis Y.; Kasai S.; Kasetti S.P.; Kashur L.; Kazaryan N.; Kearns E.; Keener P.; Kelly K.J.; Kemp E.; Kemularia O.; Ketchum W.; Kettell S.H.; Khabibullin M.; Khotjantsev A.; Khvedelidze A.; Kim D.; King B.; Kirby B.; Kirby M.; Klein J.; Koehler K.; Koerner L.W.; Koh D.H.; Kohn S.; Koller P.P.; Kolupaeva L.; Korablev D.; Kordosky M.; Kosc T.; Kose U.; Kostelecký V.A.; Kothekar K.; Kreczko L.; Krennrich F.; Kreslo I.; Kropp W.; Kudenko Y.; Kudryavtsev V.A.; Kulagin S.; Kumar J.; Kumar P.; Kumar R.; Kunze P.; Kurita N.; Kuruppu C.; Kus V.; Kutter T.; Kvasnicka J.; Kwak D.; Lambert A.; Land B.J.; Lane C.E.; Lang K.; Langford T.; Langstaff M.; Larkin J.; Lasorak P.; Last D.; Lastoria C.; Laundrie A.; Laurenti G.; Lawrence A.; Lazanu I.; Lazur R.; Lazzaroni M.; Le T.; Leardini S.; Learned J.; Lebrun P.; Lecompte T.; Lee C.; Lee S.Y.; Miotto G.L.; Lehnert R.; De Oliveira M.A.L.; Leitner M.; Lepin L.M.; Li S.W.; Li T.; Li Y.; Liao H.; Lin C.S.; Lin Q.; Lin S.; Lineros R.A.; Ling J.; Lister A.; Littlejohn B.R.; Liu J.; Lockwitz S.; Loew T.; Lokajicek M.; Lomidze I.; Long K.; Lord T.; Losecco J.M.; Louis W.C.; Lu X.-G.; Luk K.B.; Lunday B.; Luo X.; Luppi E.; Lux T.; Luzio V.P.; Macfarlane D.; Machado A.A.; Machado P.; Macias C.T.; Macier J.R.; Maddalena A.; Madera A.; Madigan P.; Magill S.; Mahn K.; Maio A.; Major A.; Maloney J.A.; Mandrioli G.; Mandujano R.C.; Maneira J.; Manenti L.; Manly S.; Mann A.; Manolopoulos K.; Plata M.M.; Manyam V.N.; Manzanillas L.; Marchan M.; Marchionni A.; Marciano W.; Marfatia D.; Mariani C.; Maricic J.; Marie R.; Marinho F.; Marino A.D.; Marsden D.; Marshak M.; Marshall C.M.; Marshall J.; Marteau J.; Martin-Albo J.; Martinez N.; Caicedo D.A.M.; Miravé P.M.; Martynenko S.; Mascagna V.; Mason K.; Mastbaum A.; Matichard F.; Matsuno S.; Matthews J.; Mauger C.; Mauri N.; Mavrokoridis K.; Mawby I.; Mazza R.; Mazzacane A.; Mazzucato E.; Mcaskill T.; Mccluskey E.; Mcconkey N.; Mcfarland K.S.; Mcgrew C.; Mcnab A.; Mefodiev A.; Mehta P.; Melas P.; Mena O.; Mendez H.; Mendez P.; Méndez D.P.; Menegolli A.; Meng G.; Messier M.D.; Metcalf W.; Mettler T.; Mewes M.; Meyer H.; Miao T.; Michna G.; Miedema T.; Mikola V.; Milincic R.; Miller G.; Miller W.; Mills J.; Milne C.; Mineev O.; Minotti A.; Miranda O.G.; Miryala S.; Mishra C.S.; Mishra S.R.; Mislivec A.; Mladenov D.; Mocioiu I.; Moffat K.; Moggi N.; Mohanta R.; Mohayai T.A.; Mokhov N.; Molina J.; Bueno L.M.; Montagna E.; Montanari A.; Montanari C.; Montanari D.; Zetina L.M.M.; Moon J.; Moon S.H.; Mooney M.; Moor A.F.; Moreno D.; Morris C.; Mossey C.; Motuk E.; Moura C.A.; Mousseau J.; Mouster G.; Mu W.; Mualem L.; Mueller J.; Muether M.; Mufson S.; Muheim F.; Muir A.; Mulhearn M.; Munford D.; Muramatsu H.; Murphy S.; Musser J.; Nachtman J.; Nagu S.; Nalbandyan M.; Nandakumar R.; Naples D.; Narita S.; Nath A.; Navrer-Agasson A.; Nayak N.; Nebot-Guinot M.; Negishi K.; Nelson J.K.; Nesbit J.; Nessi M.; Newbold D.; Newcomer M.; Newhart D.; Newton H.; Nichol R.; Nicolas-Arnaldos F.; Niner E.; Nishimura K.; Norman A.; Norrick A.; Northrop R.; Novella P.; Nowak J.A.; Oberling M.; Ochoa-Ricoux J.P.; Olivier A.; Olshevskiy A.; Onel Y.; Onishchuk Y.; Ott J.; Pagani L.; Pakvasa S.; Palacio G.; Palamara O.; Palestini S.; Paley J.M.; Pallavicini M.; Palomares C.; Palomino-Gallo J.L.; Vazquez W.P.; Pantic E.; Paolone V.; Papadimitriou V.; Papaleo R.; Papanestis A.; Paramesvaran S.; Parke S.; Parozzi E.; Parsa Z.; Parvu M.; Pascoli S.; Pasqualini L.; Pasternak J.; Pater J.; Patrick C.; Patrizii L.; Patterson R.B.; Patton S.J.; Patzak T.; Paudel A.; Paulos B.; Paulucci L.; Pavlovic Z.; Pawloski G.; Payne D.; Pec V.; Peeters S.J.M.; Pennacchio E.; Penzo A.; Peres O.L.G.; Perry J.; Pershey D.; Pessina G.; Petrillo G.; Petta C.; Petti R.; Pia V.; Piastra F.; Pickering L.; Pietropaolo F.; Plunkett R.; Poling R.; Pons X.; Poonthottathil N.; Poppi F.; Pordes S.; Porter J.; Potekhin M.; Potenza R.; Potukuchi B.V.K.S.; Pozimski J.; Pozzato M.; Prakash S.; Prakash T.; Prest M.; Prince S.; Psihas F.; Pugnere D.; Qian X.; Raaf J.L.; Radeka V.; Rademacker J.; Radics B.; Rafique A.; Raguzin E.; Rai M.; Rajaoalisoa M.; Rakhno I.; Rakotonandrasana A.; Rakotondravohitra L.; Ramachers Y.A.; Rameika R.; Delgado M.A.R.; Ramson B.; Rappoldi A.; Raselli G.; Ratoff P.; Raut S.; Razakamiandra R.F.; Rea E.; Real J.S.; Rebel B.; Reggiani-Guzzo M.; Rehak T.; Reichenbacher J.; Reitzner S.D.; Sfar H.R.; Renshaw A.; Rescia S.; Resnati F.; Reynolds A.; Ribas M.; Riboldi S.; Riccio C.; Riccobene G.; Rice L.C.J.; Ricol J.; Rigamonti A.; Rigaut Y.; Rivera D.; Robert A.; Rochester L.; Roda M.; Rodrigues P.; Alonso M.J.R.; Bonilla E.R.; Rondon J.R.; Rosauro-Alcaraz S.; Rosenberg M.; Rosier P.; Roskovec B.; Rossella M.; Rossi M.; Rout J.; Roy P.; Rubbia A.; Rubbia C.; Russell B.; Ruterbories D.; Rybnikov A.; Saa-Hernandez A.; Saakyan R.; Sacerdoti S.; Safford T.; Sahu N.; Sala P.; Samios N.; Samoylov O.; Sanchez M.C.; Sandberg V.; Sanders D.A.; Sankey D.; Santana S.; Santos-Maldonado M.; Saoulidou N.; Sapienza P.; Sarasty C.; Sarcevic I.; Savage G.; Savinov V.; Scaramelli A.; Scarff A.; Scarpelli A.; Schellman H.; Schifano S.; Schlabach P.; Schmitz D.; Scholberg K.; Schukraft A.; Segreto E.; Selyunin A.; Senise C.R.; Sensenig J.; Seoane M.; Sergi A.; Sgalaberna D.; Shaevitz M.H.; Shafaq S.; Shamma M.; Sharankova R.; Sharma H.R.; Sharma R.; Shaw T.; Shepherd-Themistocleous C.; Sheshukov A.; Shin S.; Shoemaker I.; Shooltz D.; Shrock R.; Siegel H.; Simard L.; Simon F.; Sinclair J.; Sinev G.; Singh J.; Singh J.; Singh L.; Singh V.; Sipos R.; Sippach F.W.; Sirri G.; Sitraka A.; Siyeon K.; Skarpaas K.; Smith A.; Smith E.; Smith P.; Smolik J.; Smy M.; Snider E.L.; Snopok P.; Snowden-Ifft D.; Nunes M.S.; Sobel H.; Soderberg M.; Sokolov S.; Salinas C.J.S.; Söldner-Rembold S.; Soleti S.R.; Solomey N.; Solovov V.; Sondheim W.E.; Sorel M.; Sotnikov A.; Soto-Oton J.; Sousa A.; Soustruznik K.; Spagliardi F.; Spanu M.; Spitz J.; Spooner N.J.C.; Spurgeon K.; Stancari M.; Stanco L.; Stein R.; Steiner H.M.; Lisbôa A.F.S.; Stewart J.; Stillwell B.; Stock J.; Stocker F.; Stokes T.; Strait M.; Strauss T.; Stuart A.; Suarez J.G.; Sullivan H.; Summers D.; Surdo A.; Susic V.; Suter L.; Sutera C.M.; Svoboda R.; Szczerbinska B.; Szelc A.M.; Tanaka H.A.; Oregui B.T.; Tapper A.; Tariq S.; Tatar E.; Tayloe R.; Teklu A.M.; Tenti M.; Terao K.; Ternes C.A.; Terranova F.; Testera G.; Thakore T.; Thea A.; Thompson J.L.; Thorn C.; Timm S.C.; Tishchenko V.; Tomassetti L.; Tonazzo A.; Torbunov D.; Torti M.; Tortola M.; Tortorici F.; Tosi N.; Totani D.; Toups M.; Touramanis C.; Travaglini R.; Trevor J.; Trilov S.; Trzaska W.H.; Tsai Y.; Tsai Y.-T.; Tsamalaidze Z.; Tsang K.V.; Tsverava N.; Tufanli S.; Tull C.; Tyley E.; Tzanov M.; Uboldi L.; Uchida M.A.; Urheim J.; Usher T.; Uzunyan S.; Vagins M.R.; Vahle P.; Valdiviesso G.A.; Valentim R.; Vallari Z.; Vallazza E.; Valle J.W.F.; Vallecorsa S.; Van Berg R.; Van De Water R.G.; Varanini F.; Vargas D.; Varner G.; Vasel J.; Vasina S.; Vasseur G.; Vaughan N.; Vaziri K.; Ventura S.; Verdugo A.; Vergani S.; Vermeulen M.A.; Verzocchi M.; Vicenzi M.; De Souza H.V.; Vignoli C.; Vilela C.; Viren B.; Vrba T.; Wachala T.; Waldron A.V.; Wallbank M.; Wallis C.; Wang H.; Wang J.; Wang L.; Wang M.H.L.S.; Wang Y.; Wang Y.; Warburton K.; Warner D.; Wascko M.O.; Waters D.; Watson A.; Weatherly P.; Weber A.; Weber M.; Wei H.; Weinstein A.; Wenman D.; Wetstein M.; White A.; Whitehead L.H.; Whittington D.; Wilking M.J.; Williams Z.; Wilson F.; Wilson R.J.; Wisniewski W.; Wolcott J.; Wongjirad T.; Wood A.; Wood K.; Worcester E.; Worcester M.; Wret C.; Wu W.; Wu W.; Xiao Y.; Xie F.; Yandel E.; Yang G.; Yang K.; Yang T.; Yankelevich A.; Yershov N.; Yonehara K.; Young T.; Yu B.; Yu H.; Yu H.; Yu J.; Yuan W.; Zaki R.; Zalesak J.; Zambelli L.; Zamorano B.; Zani A.; Zazueta L.; Zeller G.P.; Zennamo J.; Zeug K.; Zhang C.; Zhao M.; Zhivun E.; Zhu G.; Zimmerman E.D.; Zucchelli S.; Zuklin J.; Zutshi V.; Zwaska R.; Wilkinson C. · Physical Review D (2022) · DOI: 10.1103/physrevd.105.072006

Resumen

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) will produce world-leading neutrino oscillation measurements over the lifetime of the experiment. In this work, we explore DUNE's sensitivity to observe charge-parity violation (CPV) in the neutrino sector, and to resolve the mass ordering, for exposures of up to 100 kiloton-megawatt-calendar years (kt-MW-CY), where calendar years include an assumption of 57% accelerator uptime based on past accelerator performance at Fermilab. The analysis includes detailed uncertainties on the flux prediction, the neutrino interaction model, and detector effects. We demonstrate that DUNE will be able to unambiguously resolve the neutrino mass ordering at a 4σ (5σ) level with a 66 (100) kt-MW-CY far detector exposure, and has the ability to make strong statements at significantly shorter exposures depending on the true value of other oscillation parameters, with a median sensitivity of 3σ for almost all true δCP values after only 24 kt-MW-CY. We also show that DUNE has the potential to make a robust measurement of CPV at a 3σ level with a 100 kt-MW-CY exposure for the maximally CP-violating values δCP=±π/2. Additionally, the dependence of DUNE's sensitivity on the exposure taken in neutrino-enhanced and antineutrino-enhanced running is discussed. An equal fraction of exposure taken in each beam mode is found to be close to optimal when considered over the entire space of interest.

Instituciones: Pontificia Universidad Católica del Perú; Universidad Nacional de Ingeniería