Proton Decay with Large Liquid Scin5llator Detectors - PowerPoint PPT Presentation

Proton ¡Decay ¡with ¡ Large ¡Liquid ¡Scin5llator ¡ Detectors ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

Unifica5on ¡of ¡Forces ¡ ¡LHC ¡ Scale ¡ Planck ¡ ¡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 ¡

internuclear ¡ scaPering ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

e + π 0 mode ¡efficiency ¡ • ¡Probability ¡for ¡a ¡ π 0 ¡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? ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

Neutrons ¡from ¡Proton ¡Decay ¡in ¡Water ¡ • ¡ 2/10 ¡of ¡protons ¡are ¡free ¡protons. ¡No ¡neutrons. ¡ • ¡2/10 ¡of ¡protons ¡are ¡in ¡P 1/2 ¡shell. ¡If ¡they ¡decay ¡nucleus ¡is ¡ already ¡in ¡the ¡ground ¡state. ¡No ¡neutrons ¡ ¡ • ¡4/10 ¡of ¡protons ¡are ¡in ¡P 3/2 ¡shell. ¡If ¡they ¡decay ¡then ¡a ¡ P 1/2 ¡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. ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

Will ¡Proton ¡Decay ¡Result ¡in ¡Neutrons? ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

ANNIE ¡Experiment ¡ arXiv:1504.01480 ¡

e + π 0 ¡in ¡a ¡100 ¡kT ¡WbLS ¡detector ¡ • SK ¡II ¡efficiencies ¡assumed ¡ for ¡HK ¡with ¡no ¡neutron ¡ tagging.0.7/260 ¡kTon ¡year ¡ THEIA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ background. ¡ • ¡THEIA ¡with/without ¡ neutron ¡tagging ¡to ¡reduce ¡ DUNE ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ background ¡by ¡90% ¡ • ¡DUNE ¡scaled ¡pion ¡escape ¡ probability ¡with ¡100% ¡ efficiency ¡ Conclusion: ¡Hyper-­‑K ¡by ¡far ¡the ¡best ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

SUSY ¡can ¡push ¡up ¡unifica5on ¡scale ¡ Example ¡of ¡a ¡possible ¡proton ¡ decay ¡through ¡supersymmetric ¡ par5cles. ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

• ¡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 ¡ ¡ Free ¡protons ¡produce ¡ Free ¡protons ¡ monoenerge5c ¡K's ¡ Bound ¡protons ¡have ¡a ¡ distribu5on ¡of ¡width ¡ ~100 ¡MeV ¡in ¡oxygen ¡ Bound ¡ protons ¡ K. ¡Abe, ¡PRD ¡90 ¡(2014) ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

• ¡Hyper-­‑K ¡assumes ¡SK-­‑II ¡ (13.5%) ¡+3.5% ¡efficiency ¡ THEIA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ and ¡no ¡neutron ¡tagging, ¡ plus ¡SK-­‑II ¡(6.2 ¡events/ DUNE ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Mton-­‑yr) ¡ • ¡DUNE ¡assumes ¡37 ¡ktons ¡ and ¡100% ¡efficiency ¡and ¡ negligible ¡background ¡ • ¡THEIA ¡assumes ¡LENA-­‑ like ¡efficiency ¡and ¡ background ¡with ¡and ¡ without ¡neutron ¡tagging ¡ ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

"Invisible" ¡Nucleon ¡Decay ¡ • ¡Neutron ¡decay ¡to ¡invisible ¡par5cles ¡ • ¡neutrinos ¡ • ¡sterile ¡neutrinos ¡ • ¡axions ¡ • ¡... ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

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 ¡M Planck ¡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. ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

An ¡Example... ¡ 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? ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

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.... ¡ ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

SNO+ ¡ • ¡No ¡D2O ¡– ¡good ¡thing ¡for ¡proton ¡decay ¡ • ¡major ¡background ¡will ¡be ¡from ¡reactor ¡ neutrinos ¡ SNO: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2x10 29 ¡years ¡ SNO+: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡>2x10 30 ¡years ¡ ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

KamLAND ¡ Look ¡for ¡triple ¡coincidence ¡following ¡neutron ¡ emission ¡from ¡a ¡1s ¡state ¡hole: ¡fast ¡neutron ¡scaPer, ¡ neutron ¡capture, ¡daughter ¡beta ¡decay ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

KamLAND ¡ • ¡Not ¡background ¡limited, ¡but ¡low ¡efficiency ¡ due ¡to ¡1s ¡state ¡and ¡long ¡life5mes ¡of ¡daughters ¡ • ¡1 ¡background ¡event ¡so ¡far ¡ KamLAND: ¡ ¡ ¡5.8x10 29 ¡years ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

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 ¡ ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

• Use ¡1p ¡states ¡ • ¡neutron ¡tagging ¡ THEIA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • ¡negligible ¡spalla5on ¡ backgrounds ¡ ¡ • SNO+ ¡saturates ¡on ¡ reactor ¡neutrinos ¡ • ¡KamLAND ¡has ¡small ¡ efficiency ¡ • ¡JUNO? ¡rela5vely ¡ shallow ¡ ¡and ¡no ¡oxygen ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡

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 ¡ ¡ R.Svoboda, ¡FroST, ¡March ¡2016 ¡