次世代原子炉ニュートリノ実験の質量階層性への  Sensi'vity  

Yoshitaro  Takaesu    KIAS/KNRC    

In  collabora'on  with  S.F.  Ge,  N.  Okamura  and  K.  Hagiwara                                                                                                                                              JHEP  1305:131,2013  

Introduc'on  

Mass  Hierarchy    

m1  

m2  

m3  

Normal  Hierarchy                            (NH)  

m3  

m1  

m2  

Inverted  Hierarchy                            (IH)  

�m221

|�m231|

� 2.3� 10�3eV2

� 7.5� 10�5eV2

�m221

|�m231|

m�

3  netrinos  flavors   �m221 = m2

2 �m21 � 7.5� 10�5

�m221 < |�m2

31| � 2.3� 10�3

PMT  

Reactor  neutrino  experiment  

�e

Reactor   Detector    

Inside  Detector  

Evis��

�

�

Inverse  Beta  Decay  (IBD)  

2� 1020 neutrinos/GW/sec

L

Energy  distribu'on  �e

 @  detector  �e

near  

dNfar

dEvis=

NpT

4�L2

� �

Ethr

dE� �(E� )Pee �IBD G(E� , Evis)

Pee

far  

L

Neutrino  oscilla;on  

How  to  dis'nguish  Mass  Hierarchy?  

Detect  the  sign  of     (�m232)�m2

31

m1  

m2  

m3  

m3  

m1  

m2  

NH   IH  

The  informa'on  of  mass^2  difference  are  in  Oscilla'on  Probabili'es.    

MH  difference  in            spectrum  

10000 20000 30000 40000

30 km NH IH

2000 6000

10000 14000 40 km NH

IH

1000 3000 5000 7000

dN /

dEi [

1/M

eV]

50 km NH IH

0 1000 2000 3000 4000

2 3 4 5 6 7 8

Ei [MeV]

60 km NH IH

�e

Sensi'vity  

           analysis  �2

The  theore;cal  predic;on                    is  fiBed  to  the  Data,  assuming  NH  or  IH.  

�2min(NH) �2

min(IH)

Nfiti =

�dEvis

NpT

4�L2

� �

Ethr

dE� �(E�)Pee �IBD G(E� , Evis)

FiFng  parameters  are     �12, �13, �m221, |�m2

31|, fsys

Penalty  term  

Nfiti

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r2 ) m

in

L [km]

a = 2% NH3% NH4% NH5% NH6% NH

Sensi'vity  to  the  Mass  hierarchy  

16.5GW  10kton  5yrs  

Current  value  

NH  

a � 7%

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

�(�m231)

Effects  of    　　　　to  the  sensi'vity  

|�m231|

L  =  30km  

�|�m231|

|�m231|

L  =  50km  

Baseline  should  be  long  enough  

|�m231|+��2 fit

�2 fit |�m231|+�

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r2 ) m

in

L [km]

a = 2% NH3% NH4% NH5% NH6% NH

Sensi'vity  to  the  Mass  hierarchy  

16.5GW  10kton  5yrs  

Current  value  

NH  

a � 7%

�E

E=

a�E

Effect  of  Energy  Resolu'on    

a  =  0   a  =  6%  

Evergy  Resolu'on    affects  the  sensi'vity    significantly.  

�E �= 0

�E

E=

a�E

Expected Energy Resolution

PMT coverage : 67% (15,000 20” PMTs)

PMT coverage : 67% (15,000 20” PMTs)

+ Attenuation length : 25 m

+ QE : 35%

J.S.  Park,  S.B.  Kim  

   Effect  of  Energy  Resolu'on  2  

16.5GW  10kton  5yrs  

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

•   Sensi'vity  is  reduced  by  ~  40%  •   Op'mized  L  is  shortened  by  ~  5  km  

b  =  0%   b  =  1%  

a  =  2%   a  =  3%  

0

1

2

3

4

5

6

7

8

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r2 ) m

in

L [km]

(a, b) = (3, 0) NH(3, 0.5) NH

(3, 0.75) NH(3, 1) NH

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r2 ) m

in

L [km]

(a, b) = (2, 0) NH(2, 0.5) NH

(2, 0.75) NH(2, 1) NH

Other  Limicng  Factors  

Mul'-­‐reactor  interference  

L1   L2  

E.  Ciuffoli,  J.  Evslin,  X.  Zhang:  1302.0624  Y-­‐F.  Li,  J.  Cao,  Y.  Wang,  L.  Zhan:  1303.6733  

Baseline  difference  should  be  small.  

ΔL  =  L1  –  L2    

Mul'-­‐reactor  interference    

Other  reactor  sites  influence  the  sensi'vity.  

All  Reactors  

16.5GW    10kton  5yrs  a  =  3%,  b  =  0.5%  

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

YongGwang  only  

01234567891011

(��2)min

Mul'-­‐reactor  interference    All  Reactors  

01234567891011

(��2)min

16.5GW    10kton  5yrs  a  =  3%,  b  =  0.5%  

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

RENO  site  

In  latest  RENO-­‐50  proposeal:    Site  changed                                                                                                              18  kton  detector  

Energy  scale  uncertainty  Energy  scale  uncertainty  is  controlled  ~  1%  for  RENO  detector.  

J.  Evslin  et.al.  arXiv:  1308.0591  

No  E  scale  Unc.  Unknown  E  scale  (worst  case)  

Effect  of  E  scale  Uncertainty  

Schedule  for  MH  determina'on  2010   2030  2020  

RENO-­‐50  

DayaBay  II  

LBNE  

LBNO  

PINGU  

INO  

NOvA    （Opera;ng)  

（Approved)  

Hyper  K  

2015   2025  

*  rough  es;mate   2  sigma    3  sigma  4  sigma    5  sigma  

   Summary  RENO50-­‐like  Experiment  for  MH  determina=on.  

With  16.5GW  18kton,  

     a  <  3%                  b  <  0.5%      

of  Energy  Resolu=on  is  required  >  2  ~  3-­‐sigma  determina;on  within  5  years.          

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

Interference  among  reactor  cores  significantly  affects    the  sensi;vity.  

Energy  Scale  uncertainty  should  be  controlled  very  Carefully.    

Many  Efforts  for  MH  determina;on  have  started  !