Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment: DUNE Collaboration

B. Abi, R. Acciarri, M. A. Acero, G. Adamov, D. Adams, M. Adinolfi, Z. Ahmad, J. Ahmed, T. Alion, S. Alonso Monsalve, C. Alt, J. Anderson, C. Andreopoulos, M. P. Andrews, F. Andrianala, S. Andringa, A. Ankowski, M. Antonova, S. Antusch, A. Aranda-FernandezA. Ariga, L. O. Arnold, M. A. Arroyave, J. Asaadi, A. Aurisano, V. Aushev, D. Autiero, F. Azfar, H. Back, J. J. Back, C. Backhouse, P. Baesso, L. Bagby, R. Bajou, S. Balasubramanian, P. Baldi, B. Bambah, F. Barao, G. Barenboim, G. J. Barker, W. Barkhouse, C. Barnes, G. Barr, J. Barranco Monarca, N. Barros, J. L. Barrow, A. Bashyal, V. Basque, F. Bay, J. L.Bazo Alba, J. F. Beacom, E. Bechetoille, B. Behera, L. Bellantoni, G. Bellettini, V. Bellini, O. Beltramello, D. Belver, N. Benekos, F. Bento Neves, J. Berger, S. Berkman, P. Bernardini, R. M. Berner, H. Berns, S. Bertolucci, M. Betancourt, Y. Bezawada, M. Bhattacharjee, B. Bhuyan, S. Biagi, J. Bian, M. Biassoni, K. Biery, B. Bilki, M. Bishai, A. Bitadze, A. Blake, B. Blanco Siffert, F. D.M. Blaszczyk, G. C. Blazey, E. Blucher, J. Boissevain, S. Bolognesi, T. Bolton, M. Bonesini, M. Bongrand, F. Bonini, A. Booth, C. Booth, S. Bordoni, A. Borkum, T. Boschi, N. Bostan, P. Bour, S. B. Boyd, D. Boyden, J. Bracinik, D. Braga, D. Brailsford, A. Brandt, J. Bremer, C. Brew, E. Brianne, S. J. Brice, C. Brizzolari, C. Bromberg, G. Brooijmans, J. Brooke, A. Bross, G. Brunetti, N. Buchanan, H. Budd, D. Caiulo, P. Calafiura, J. Calcutt, M. Calin, S. Calvez, E. Calvo, L. Camilleri, A. Caminata, M. Campanelli, D. Caratelli, G. Carini, B. Carlus, P. Carniti, I. Caro Terrazas, H. Carranza, A. Castillo, C. Castromonte, C. Cattadori, F. Cavalier, F. Cavanna, S. Centro, G. Cerati, A. Cervelli, A. Cervera Villanueva, M. Chalifour, C. Chang, E. Chardonnet, A. Chatterjee, S. Chattopadhyay, J. Chaves, H. Chen, M. Chen, Y. Chen, D. Cherdack, C. Chi, S. Childress, A. Chiriacescu, K. Cho, S. Choubey, A. Christensen, D. Christian, G. Christodoulou, E. Church, P. Clarke, T. E. Coan, A. G. Cocco, J. A.B. Coelho, E. Conley, J. M. Conrad, M. Convery, L. Corwin, P. Cotte, L. Cremaldi, L. Cremonesi, J. I. Crespo-Anadón, E. Cristaldo, R. Cross, C. Cuesta, Y. Cui, D. Cussans, M. Dabrowski, H. da Motta, L. Da Silva Peres, C. David, Q. David, G. S. Davies, S. Davini, J. Dawson, K. De, R. M. De Almeida, P. Debbins, I. De Bonis, M. P. Decowski, A. de Gouvêa, P. C. De Holanda, I. L. De Icaza Astiz, A. Deisting, P. De Jong, A. Delbart, D. Delepine, M. Delgado, A. Dell’Acqua, P. De Lurgio, J. R.T. de Mello Neto, D. M. DeMuth, S. Dennis, C. Densham, G. Deptuch, A. De Roeck, V. De Romeri, J. J. De Vries, R. Dharmapalan, M. Dias, F. Diaz, J. S. Díaz, S. Di Domizio, L. Di Giulio, P. Ding, L. Di Noto, C. Distefano, R. Diurba, M. Diwan, Z. Djurcic, N. Dokania, M. J. Dolinski, L. Domine, D. Douglas, F. Drielsma, D. Duchesneau, K. Duffy, P. Dunne, T. Durkin, H. Duyang, O. Dvornikov, D. A. Dwyer, A. S. Dyshkant, M. Eads, D. Edmunds, J. Eisch, S. Emery, A. Ereditato, C. O. Escobar, L. Escudero Sanchez, J. J. Evans, E. Ewart, A. C. Ezeribe, K. Fahey, A. Falcone, C. Farnese, Y. Farzan, J. Felix, E. Fernandez-Martinez, P. Fernandez Menendez, F. Ferraro, L. Fields, A. Filkins, F. Filthaut, R. S. Fitzpatrick, W. Flanagan, B. Fleming, R. Flight, J. Fowler, W. Fox, J. Franc, K. Francis, D. Franco, J. Freeman, J. Freestone, J. Fried, A. Friedland, S. Fuess, I. Furic, A. P. Furmanski, A. Gago, H. Gallagher, A. Gallego-Ros, N. Gallice, V. Galymov, E. Gamberini, T. Gamble, R. Gandhi, R. Gandrajula, S. Gao, D. Garcia-Gamez, M. García-Peris, S. Gardiner, D. Gastler, G. Ge, B. Gelli, A. Gendotti, S. Gent, Z. Ghorbani-Moghaddam, D. Gibin, I. Gil-Botella, C. Girerd, A. K. Giri, D. Gnani, O. Gogota, M. Gold, S. Gollapinni, K. Gollwitzer, R. A. Gomes, L. V.Gomez Bermeo, L. S.Gomez Fajardo, F. Gonnella, J. A. Gonzalez-Cuevas, M. C. Goodman, O. Goodwin, S. Goswami, C. Gotti, E. Goudzovski, C. Grace, M. Graham, E. Gramellini, R. Gran, E. Granados, A. Grant, C. Grant, D. Gratieri, P. Green, S. Green, L. Greenler, M. Greenwood, J. Greer, W. C. Griffith, M. Groh, J. Grudzinski, K. Grzelak, W. Gu, V. Guarino, R. Guenette, A. Guglielmi, B. Guo, K. K. Guthikonda, R. Gutierrez, P. Guzowski, M. M. Guzzo, S. Gwon, A. Habig, A. Hackenburg, H. Hadavand, R. Haenni, A. Hahn, J. Haigh, J. Haiston, T. Hamernik, P. Hamilton, J. Han, K. Harder, D. A. Harris, J. Hartnell, T. Hasegawa, R. Hatcher, E. Hazen, A. Heavey, K. M. Heeger, J. Heise, K. Hennessy, S. Henry, M. A.Hernandez Morquecho, K. Herner, L. Hertel, A. S. Hesam, J. Hewes, A. Higuera, T. Hill, S. J. Hillier, A. Himmel, J. Hoff, C. Hohl, A. Holin, E. Hoppe, G. A. Horton-Smith, M. Hostert, A. Hourlier, B. Howard, R. Howell, J. Huang, J. Huang, J. Hugon, G. Iles, N. Ilic, A. M. Iliescu, R. Illingworth, A. Ioannisian, R. Itay, A. Izmaylov, E. James, B. Jargowsky, F. Jediny, C. Jesùs-Valls, X. Ji, L. Jiang, S. Jiménez, A. Jipa, A. Joglekar, C. Johnson, R. Johnson, B. Jones, S. Jones, C. K. Jung, T. Junk, Y. Jwa, M. Kabirnezhad, A. Kaboth, I. Kadenko, F. Kamiya, G. Karagiorgi, A. Karcher, M. Karolak, Y. Karyotakis, S. Kasai, S. P. Kasetti, L. Kashur, N. Kazaryan, E. Kearns, P. Keener, K. J. Kelly, E. Kemp, W. Ketchum, S. H. Kettell, M. Khabibullin, A. Khotjantsev, A. Khvedelidze, D. Kim, B. King, B. Kirby, M. Kirby, J. Klein, K. Koehler, L. W. Koerner, S. Kohn, P. P. Koller, M. Kordosky, T. Kosc, U. Kose, V. A. Kostelecký, K. Kothekar, F. Krennrich, I. Kreslo, Y. Kudenko, V. A. Kudryavtsev, S. Kulagin, J. Kumar, R. Kumar, C. Kuruppu, V. Kus, T. Kutter, A. Lambert, K. Lande, C. E. Lane, K. Lang, T. Langford, P. Lasorak, D. Last, C. Lastoria, A. Laundrie, A. Lawrence, I. Lazanu, R. LaZur, T. Le, J. Learned, P. LeBrun, G. Lehmann Miotto, R. Lehnert, M. A.Leigui de Oliveira, M. Leitner, M. Leyton, L. Li, S. Li, S. W. Li, T. Li, Y. Li, H. Liao, C. S. Lin, S. Lin, A. Lister, B. R. Littlejohn, J. Liu, S. Lockwitz, T. Loew, M. Lokajicek, I. Lomidze, K. Long, K. Loo, D. Lorca, T. Lord, J. M. LoSecco, W. C. Louis, K. B. Luk, X. Luo, N. Lurkin, T. Lux, V. P. Luzio, D. MacFarland, A. A. Machado, P. Machado, C. T. Macias, J. R. Macier, A. Maddalena, P. Madigan, S. Magill, K. Mahn, A. Maio, J. A. Maloney, G. Mandrioli, J. Maneira, L. Manenti, S. Manly, A. Mann, K. Manolopoulos, M. Manrique Plata, A. Marchionni, W. Marciano, D. Marfatia, C. Mariani, J. Maricic, F. Marinho, A. D. Marino, M. Marshak, C. Marshall, J. Marshall, J. Marteau, J. Martin-Albo, N. Martinez, D. A.Martinez Caicedo, S. Martynenko, K. Mason, A. Mastbaum, M. Masud, S. Matsuno, J. Matthews, C. Mauger, N. Mauri, K. Mavrokoridis, R. Mazza, A. Mazzacane, E. Mazzucato, E. McCluskey, N. McConkey, K. S. McFarland, C. McGrew, A. McNab, A. Mefodiev, P. Mehta, P. Melas, M. Mellinato, O. Mena, S. Menary, H. Mendez, A. Menegolli, G. Meng, M. D. Messier, W. Metcalf, M. Mewes, H. Meyer, T. Miao, G. Michna, T. Miedema, J. Migenda, R. Milincic, W. Miller, J. Mills, C. Milne, O. Mineev, O. G. Miranda, S. Miryala, C. S. Mishra, S. R. Mishra, A. Mislivec, D. Mladenov, I. Mocioiu, K. Moffat, N. Moggi, R. Mohanta, T. A. Mohayai, N. Mokhov, J. Molina, L. Molina Bueno, A. Montanari, C. Montanari, D. Montanari, L. M.Montano Zetina, J. Moon, M. Mooney, A. Moor, D. Moreno, B. Morgan, C. Morris, C. Mossey, E. Motuk, C. A. Moura, J. Mousseau, W. Mu, L. Mualem, J. Mueller, M. Muether, S. Mufson, F. Muheim, A. Muir, M. Mulhearn, H. Muramatsu, S. Murphy, J. Musser, J. Nachtman, S. Nagu, M. Nalbandyan, R. Nandakumar, D. Naples, S. Narita, D. Navas-Nicolás, N. Nayak, M. Nebot-Guinot, L. Necib, K. Negishi, J. K. Nelson, J. Nesbit, M. Nessi, D. Newbold, M. Newcomer, D. Newhart, R. Nichol, E. Niner, K. Nishimura, A. Norman, A. Norrick, R. Northrop, P. Novella, J. A. Nowak, M. Oberling, A. Olivares Del Campo, A. Olivier, Y. Onel, Y. Onishchuk, J. Ott, L. Pagani, S. Pakvasa, O. Palamara, S. Palestini, J. M. Paley, M. Pallavicini, C. Palomares, E. Pantic, V. Paolone, V. Papadimitriou, R. Papaleo, A. Papanestis, S. Paramesvaran, S. Parke, Z. Parsa, M. Parvu, S. Pascoli, L. Pasqualini, J. Pasternak, J. Pater, C. Patrick, L. Patrizii, R. B. Patterson, S. J. Patton, T. Patzak, A. Paudel, B. Paulos, L. Paulucci, Z. Pavlovic, G. Pawloski, D. Payne, V. Pec, S. J.M. Peeters, Y. Penichot, E. Pennacchio, A. Penzo, O. L.G. Peres, J. Perry, D. Pershey, G. Pessina, G. Petrillo, C. Petta, R. Petti, F. Piastra, L. Pickering, F. Pietropaolo, J. Pillow, J. Pinzino, R. Plunkett, R. Poling, X. Pons, N. Poonthottathil, S. Pordes, M. Potekhin, R. Potenza, B. V.K.S. Potukuchi, J. Pozimski, M. Pozzato, S. Prakash, T. Prakash, S. Prince, G. Prior, D. Pugnere, K. Qi, X. Qian, J. L. Raaf, R. Raboanary, V. Radeka, J. Rademacker, B. Radics, A. Rafique, E. Raguzin, M. Rai, M. Rajaoalisoa, I. Rakhno, H. T. Rakotondramanana, L. Rakotondravohitra, Y. A. Ramachers, R. Rameika, M. A.Ramirez Delgado, B. Ramson, A. Rappoldi, G. Raselli, P. Ratoff, S. Ravat, H. Razafinime, J. S. Real, B. Rebel, D. Redondo, M. Reggiani-Guzzo, T. Rehak, J. Reichenbacher, S. D. Reitzner, A. Renshaw, S. Rescia, F. Resnati, A. Reynolds, G. Riccobene, L. C.J. Rice, K. Rielage, Y. Rigaut, D. Rivera, L. Rochester, M. Roda, P. Rodrigues, M. J.Rodriguez Alonso, J. Rodriguez Rondon, A. J. Roeth, H. Rogers, S. Rosauro-Alcaraz, M. Rossella, J. Rout, S. Roy, A. Rubbia, C. Rubbia, B. Russell, J. Russell, D. Ruterbories, R. Saakyan, S. Sacerdoti, T. Safford, N. Sahu, P. Sala, N. Samios, M. C. Sanchez, D. A. Sanders, D. Sankey, S. Santana, M. Santos-Maldonado, N. Saoulidou, P. Sapienza, C. Sarasty, I. Sarcevic, G. Savage, V. Savinov, A. Scaramelli, A. Scarff, A. Scarpelli, T. Schaffer, H. Schellman, P. Schlabach, D. Schmitz, K. Scholberg, A. Schukraft, E. Segreto, J. Sensenig, I. Seong, A. Sergi, F. Sergiampietri, D. Sgalaberna, M. H. Shaevitz, S. Shafaq, M. Shamma, H. R. Sharma, R. Sharma, T. Shaw, C. Shepherd-Themistocleous, S. Shin, D. Shooltz, R. Shrock, L. Simard, N. Simos, J. Sinclair, G. Sinev, J. Singh, J. Singh, V. Singh, R. Sipos, F. W. Sippach, G. Sirri, A. Sitraka, K. Siyeon, D. Smargianaki, A. Smith, A. Smith, E. Smith, P. Smith, J. Smolik, M. Smy, P. Snopok, M. Soares Nunes, H. Sobel, M. Soderberg, C. J.Solano Salinas, S. Söldner-Rembold, N. Solomey, V. Solovov, W. E. Sondheim, M. Sorel, J. Soto-Oton, A. Sousa, K. Soustruznik, F. Spagliardi, M. Spanu, J. Spitz, N. J.C. Spooner, K. Spurgeon, R. Staley, M. Stancari, L. Stanco, H. M. Steiner, J. Stewart, B. Stillwell, J. Stock, F. Stocker, T. Stokes, M. Strait, T. Strauss, S. Striganov, A. Stuart, D. Summers, A. Surdo, V. Susic, L. Suter, C. M. Sutera, R. Svoboda, B. Szczerbinska, A. M. Szelc, R. Talaga, H. A. Tanaka, B. Tapia Oregui, A. Tapper, S. Tariq, E. Tatar, R. Tayloe, A. M. Teklu, M. Tenti, K. Terao, C. A. Ternes, F. Terranova, G. Testera, A. Thea, J. L. Thompson, C. Thorn, S. C. Timm, A. Tonazzo, M. Torti, M. Tortola, F. Tortorici, D. Totani, M. Toups, C. Touramanis, J. Trevor, W. H. Trzaska, Y. T. Tsai, Z. Tsamalaidze, K. V. Tsang, N. Tsverava, S. Tufanli, C. Tull, E. Tyley, M. Tzanov, M. A. Uchida, J. Urheim, T. Usher, M. R. Vagins, P. Vahle, G. A. Valdiviesso, E. Valencia, Z. Vallari, J. W.F. Valle, S. Vallecorsa, R. Van Berg, R. G. Van de Water, D. Vanegas Forero, F. Varanini, D. Vargas, G. Varner, J. Vasel, G. Vasseur, K. Vaziri, S. Ventura, A. Verdugo, S. Vergani, M. A. Vermeulen, M. Verzocchi, H. Vieira de Souza, C. Vignoli, C. Vilela, B. Viren, T. Vrba, T. Wachala, A. V. Waldron, M. Wallbank, H. Wang, J. Wang, Y. Wang, Y. Wang, K. Warburton, D. Warner, M. Wascko, D. Waters, A. Watson, P. Weatherly, A. Weber, M. Weber, H. Wei, A. Weinstein, D. Wenman, M. Wetstein, M. R. While, A. White, L. H. Whitehead, D. Whittington, M. J. Wilking, C. Wilkinson, Z. Williams, F. Wilson, R. J. Wilson, J. Wolcott, T. Wongjirad, K. Wood, L. Wood, E. Worcester, M. Worcester, C. Wret, W. Wu, W. Wu, Y. Xiao, G. Yang, T. Yang, N. Yershov, K. Yonehara, T. Young, B. Yu, J. Yu, R. Zaki, J. Zalesak, L. Zambelli, B. Zamorano, A. Zani, L. Zazueta, G. P. Zeller, J. Zennamo, K. Zeug, C. Zhang, M. Zhao, E. Zhivun, G. Zhu, E. D. Zimmerman, M. Zito, S. Zucchelli, J. Zuklin, V. Zutshi, R. Zwaska

Research output: Contribution to journalArticlepeer-review

5 Scopus citations

Abstract

The sensitivity of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) to neutrino oscillation is determined, based on a full simulation, reconstruction, and event selection of the far detector and a full simulation and parameterized analysis of the near detector. Detailed uncertainties due to the flux prediction, neutrino interaction model, and detector effects are included. DUNE will resolve the neutrino mass ordering to a precision of 5σ, for all δCP values, after 2 years of running with the nominal detector design and beam configuration. It has the potential to observe charge-parity violation in the neutrino sector to a precision of 3σ (5σ) after an exposure of 5 (10) years, for 50% of all δCP values. It will also make precise measurements of other parameters governing long-baseline neutrino oscillation, and after an exposure of 15 years will achieve a similar sensitivity to sin 22 θ13 to current reactor experiments.

Original languageEnglish (US)
Article number978
JournalEuropean Physical Journal C
Volume80
Issue number10
DOIs
StatePublished - Oct 1 2020

Bibliographical note

Funding Information:
This document was prepared by the DUNE collaboration using the resources of the Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), a U.S. Department of Energy, Office of Science, HEP User Facility. Fermilab is managed by Fermi Research Alliance, LLC (FRA), acting under Contract No. DE-AC02-07CH11359. This work was supported by CNPq, FAPERJ, FAPEG and FAPESP, Brazil; CFI, IPP and NSERC, Canada; CERN; M?MT, Czech Republic; ERDF, H2020-EU and MSCA, European Union; CNRS/IN2P3 and CEA, France; INFN, Italy; FCT, Portugal; NRF, South Korea; CAM, Fundaci?n ?La Caixa? and MICINN, Spain; SERI and SNSF, Switzerland; T?B?TAK, Turkey; The Royal Society and UKRI/STFC, UK; DOE and NSF, United States of America. This research used resources of the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), a U.S. Department of Energy Office of Science User Facility operated under Contract No. DE-AC02-05CH11231.

Funding Information:
This document was prepared by the DUNE collaboration using the resources of the Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), a U.S. Department of Energy, Office of Science, HEP User Facility. Fermilab is managed by Fermi Research Alliance, LLC (FRA), acting under Contract No. DE-AC02-07CH11359. This work was supported by CNPq, FAPERJ, FAPEG and FAPESP, Brazil; CFI, IPP and NSERC, Canada; CERN; MŠMT, Czech Republic; ERDF, H2020-EU and MSCA, European Union; CNRS/IN2P3 and CEA, France; INFN, Italy; FCT, Portugal; NRF, South Korea; CAM, Fundación “La Caixa” and MICINN, Spain; SERI and SNSF, Switzerland; TÜBİTAK, Turkey; The Royal Society and UKRI/STFC, UK; DOE and NSF, United States of America. This research used resources of the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), a U.S. Department of Energy Office of Science User Facility operated under Contract No. DE-AC02-05CH11231.

Publisher Copyright:
© 2020, The Author(s).

Fingerprint Dive into the research topics of 'Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment: DUNE Collaboration'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this