Mass Hierarchy & CP Violation with Long-Baseline Experiments - PowerPoint PPT Presentation

Mass Hierarchy & CP Violation with Long-Baseline Experiments Brajesh Chandra Choudhary University of Delhi July 15-19, 2013, IPPP – Durham at Lumley Castle, UK

What ¡ ¡do ¡ ¡We ¡Know ¡About ¡the ¡Neutrinos? ¡ There ¡are ¡three ¡genera6ons ¡of ¡ light ¡neutrinos, ¡they ¡have ¡ mass, ¡hence ¡they ¡mix ¡and ¡they ¡ don’t ¡travel ¡faster ¡than ¡light. ¡ 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 2 ¡

¡ ¡ ¡Neutrino ¡Mixing ¡and ¡PMNS ¡Matrix ¡ FLAVOR ¡ MASS ¡ Eigenstates ¡ Eigenstates ¡ Atmospheric ¡ Cross ¡Mixing ¡ Solar ¡ Majorana ¡ ¡ ¡ ν µ ¡ ↔ ¡ ν τ ¡ ν e ¡ ↔ ¡ ν µ , , ν τ ¡ Atmospheric ¡ ¡ ¡ ¡ Reactor ¡Short ¡Baseline ¡ Solar ¡ ν µ ¡Long ¡Baseline ¡ ν µ ¡Long ¡Baseline ¡ Reactor ¡Long ¡Baseline ¡ Long ¡Baseline ¡Accelerator ¡Experiments ¡ ν ¡oscilla6ons ¡with ¡3 ν ’s ¡can ¡be ¡described ¡by ¡ 8 ¡parameters ¡-­‑ ¡2 ¡ ¡mass-­‑squared ¡( Δ m 2 ) ¡ difference, ¡2 ¡ ¡signs ¡of ¡mass-­‑squared ¡( Δ m 2 ) ¡ differences, ¡3 ¡angles ¡and ¡1 ¡phase. ¡ ¡ ¡ ¡ 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 3 ¡

What ¡We ¡Know, ¡What ¡We ¡Don’t ¡Know, ¡& ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ What ¡We ¡Would ¡Like ¡to ¡Know ¡ Reactor, ¡T2K, ¡NO ν A, ¡LBNE, ¡ ¡HK ¡ T2K, ¡NO ν A, ¡LBNE, ¡LBNO, ¡HK ¡ ¡ CP? ¡ How ¡large? ¡LARGE ¡~ ¡10 0 ¡ Solar+KAMLAND ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ~ Δ m 2 21 ¡ ~ ¡7.5X10 -­‑5 ¡ eV 2 ¡ ¡ Θ 12 ¡~ ¡34 0 ¡ Atmosp. ¡+ ¡K2K ¡+MINOS ¡ MAS S ¡ ¡~| Δ m 2 31 |~2.4X10 -­‑3 ¡ eV 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ θ 23 ¡ ¡~ ¡45 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ νββ ¡ Which ¡One? ¡ Tri&um ¡or ¡0 νβ Majorana ¡ NO ν A, ¡LBNE, ¡LBNO, ¡HK, ¡INO, ¡PINGU, ¡ORCA, ¡REACTORS ¡ or ¡Dirac ¡? ¡ ? ¡ 0 νβ νββ ¡ 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 4 ¡

What ¡is ¡Known ¡Known? ¡ ¡ ¡ ¡ What ¡is ¡Known ¡Unknown? ¡ ¡ 1. ν ¡-­‑ ¡Majorana ¡or ¡Dirac ¡ ✖ 2. Absolute ¡ν ¡mass ¡ ✖ ✔ ¡ 3. ν ¡– ¡MH ¡ ✔ ¡ 4. CPV ¡in ¡ν ¡? ¡ 5. Is ¡θ 23 ¡maximal? ¡If ¡not ¡in ¡ ✔ ¡ which ¡octant ¡it ¡falls? ¡ 6. Supernova ¡ν ¡ ✖ 7. Remnant ¡Supernova ¡ν ¡ ✖ 8. Sterile ¡ν ¡ ¡ ¡ ✖ 9. Relic ¡ν ¡ ✖ Gonzales-­‑Garcia, ¡Maltoni, ¡Salvado, ¡Schwetz ¡ arXiv:1209.3023v3-­‑19.Dec.12 ¡ 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 5 ¡

European ¡Strategy ¡of ¡Par6cle ¡Physics ¡– ¡First ¡Update ¡ Page ¡22 ¡of ¡the ¡Document ¡ ¡ Rapid ¡ progress ¡ in ¡ neutrino ¡ oscilla&on ¡ physics, ¡ with ¡ significant ¡ European ¡ involvement, ¡ has ¡ established ¡ a ¡ strong ¡ scien&fic ¡case ¡for ¡a ¡long-­‑baseline ¡neutrino ¡ programme ¡exploring ¡CP ¡viola&on ¡and ¡the ¡ mass ¡ hierarchy ¡ in ¡ the ¡ neutrino ¡ sector. ¡ CERN ¡ should ¡ develop ¡ a ¡ neutrino ¡ programme ¡ to ¡ pave ¡ the ¡ way ¡ for ¡ a ¡ substan6al ¡ European ¡ role ¡ in ¡ future ¡ long-­‑ baseline ¡ experiments. ¡ Europe ¡ should ¡ explore ¡ the ¡ ¡ possibility ¡ of ¡ major ¡ par6cipa6on ¡in ¡leading ¡neutrino ¡projects ¡in ¡ the ¡US ¡and ¡Japan. ¡ Focus ¡of ¡the ¡Talk ¡– ¡MH ¡and ¡CPV ¡in ¡ Neutrinos ¡ Also ¡see ¡talk ¡on ¡-­‑ ¡MH ¡at ¡Reactors ¡by ¡Wei ¡Wang ¡& ¡MH ¡at ¡PINGU ¡& ¡ORCA ¡by ¡Jus6ne ¡Evans ¡ ¡ 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 6 ¡

LBL ¡ ν ¡Experiments: ¡Future ¡3 ν ¡Oscilla6on ¡Searches ¡ Once ¡posi7ve ¡evidence ¡of ¡ θ 13 ¡ has ¡been ¡found, ¡the ¡goal ¡has ¡moved ¡ towards ¡search ¡for ¡ neutrino ¡mass ¡hierarchy ¡ and ¡ CPV . ¡Need ¡for ¡very ¡ sensi7ve ¡experiments. ¡ CP-­‑viola6on ¡(U ¡Complex): ¡ ν ’ s ¡and ¡an6-­‑ ν ’ s ¡behave ¡differently ¡ and ¡their ¡oscilla6on ¡probabili6es ¡are ¡not ¡the ¡same ¡ ● P ( ν µ →ν →ν e ) = P 1 + P 2 + P 3 +P 4 IN VACUUM ● P 1 = Sin 2 ( θ 23 ) Sin 2 (2 θ 13 ) Sin 2 (1.27 Δ m 2 13 L/E) “ Atmospheric ” ● } P 2 = ± J Sin( δ ) Sin(1.27 Δ m 2 13 L/E) Atmospheric - Solar Interference ● P 3 = J Cos( δ ) Cos(1.27 Δ m 2 13 L/E) ● P 4 = Cos 2 ( θ 23 ) Sin 2 (2 θ 12 ) Sin 2 (1.27 Δ m 2 12 L/E) “ Solar ” where J = Cos( θ 13 ) Sin(2 θ 12 ) Sin(2 θ 13 ) Sin(2 θ 23 ) X + for ν bar and – for ν Sin(1.27 Δ m 2 13 L/E) Sin(1.27 Δ m 2 12 L/E) 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 7 ¡

LBL ¡ ν ¡Experiments: ¡Future ¡3 ν ¡Oscilla6on ¡Searches ¡ – ¡MATTER ¡EFFECT ¡ q In LBL experiment the neutrino beam traverses through the Earth and goes through forward coherent scattering due to interactions in matter. q In matter ν e interacts differently compared to other flavors. ü ν e has charged-current interaction with electrons in the matter ü ν e, ν µ , and ν τ have neutral-current interactions with the matter ü ν s has no interaction at all q Matter can change the oscillation probability due to an effective mass difference which is generated between different types of neutrinos. q This modifies the mixing angle, enhancing the probability of conversion for ν and suppressing for ν bar, or vice-versa depending on the sign of Δ m 2 13 . 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 8 ¡

LBL ¡ ν ¡Experiments: ¡Future ¡3 ν ¡Oscilla6on ¡Searches ¡ – ¡MATTER ¡EFFECT ¡ q In matter the effective mixing is given by: sin 2 2 θ m 13 ≈ sin 2 2 θ 13 /(cos2 θ 13 - A/ Δ m 2 ) 2 where A = ± 2 √ 2 G F .Y. n B. E ν n B = Baryon Density Y = - 2Y n + 4Y e for ν e (Y n = neutrons/baryons) Y = - 2Y n for ν µ (Y e = electrons/baryons) Y = 0 for ν s q This enhances (suppresses) the probability of conversion for ν ( ν bar) to normal hierarchy and vice–versa for inverted hierarchy q For a 2 GeV neutrino of energy, matter effect gives ü About ± 30% effect for NuMI & about ± 11% effect for T2K q By measuring P( ν µ →ν →ν e ) and P( ν µ →ν →ν e ), we are sensitive to θ 13 , δ , and the type of hierarchy (or sign of Δ m 2 31 ) q And this is what NO ν A+T2K and LBNE/LAGUNA-LBNO will do. 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 9 ¡

Neutrinos ¡from ¡Accelerator ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Long-­‑Baseline ¡Experiments ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ MINOS/MINOS+/NO ν A/LBNE ¡– ¡USA-­‑FNAL ¡ ¡ LAGUNA-­‑LBNO ¡– ¡Europe-­‑CERN ¡ T2K/T2HK ¡– ¡Japan–Tokai-­‑Kamioka ¡ ¡ ¡ 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 10 ¡

Fermilab’s ¡Neutrino ¡Program ¡ NO ν A (FD ) NO ν A (FD ) MINOS (FD) Under Construction - Under Construction - Operating Online 2013 (700 kW) Online 2013 (700 kW) since 2005 (350 kW) MINOS (ND) MINERvA Mini- BooNE Far Detector (34 kton LAr TPC) LBNE Under Development 1300 km ND NO ν A MicroBooNE (ND) (LAr TPC) Under Const. 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 11 ¡

NO ν A ¡ 7/16/13 ¡ BCC ¡-­‑ ¡Invisibles13, ¡IPPP-­‑Durham ¡(Lumley ¡Castle) ¡-­‑ ¡15 ¡-­‑ ¡19 ¡July, ¡2013 ¡ 12 ¡