Determina)on  of  mass  hierarchy    with  reactor  neutrino  experiment  

Yoshitaro  Takaesu    KIAS/KNRC    

In  collabora)on  with  S.F.  Ge,  N.  Okamura  and  K.  Hagiwara  

Introduc)on  

                                                           is  observed    at  Short  Baselin  Rector  Experiments.  

Reactor  neutrino  Experiments  may  be  able  to  determine  the  Neutrino  Mass  Hierarchy  .  

The  sensi;vity  is  studied    of  future  Reactor  neutrino  Experiments  for  determining  the  Neutrino  Mass  Hierarchy      

sin2 2�13 � 0.1

Reactor  neutrino  experiment  

�e + p� e+ + n

�e

 @  Reactor    @  Detector  �e�e

=

Baseline  (L  km)  

Pee

�

MH  difference  in  Pee  

Mass  Hierarchy  difference  

By  N.  Okamura  

Energy  Distribu)on  @  Detector  

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

L  =  30km  

L  =  40km  

L  =  50km  

L  =  60km  

�e

Es)ma)on  of  the  sensi)vity  for  MH  

�2 fit

103

104

2 3 4 5 6 7 8

dN / d

E i [1/Me

V]

Ei [MeV]

50km

Data  

( )

or  NH     IH    

Sensi)vity:     (��2)min = �2min(wrong MH)� �2

min(true MH)

Sensi)vity  for  Mass  Hierarchy  

0

2

4

6

8

10

12

14

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r

2 ) min

L [km]

b = 0

a = 2% NH IH

3% NH IH

4% NH IH

5% NH IH

6% NH IH

20GW  5kton  5yrs  

Effect  of  Energy  Resolu)on    

b: systematic error parta: statistical error part

w/o  Resolu)on  

Evergy  Resolu)on  effect  is    

Problema)c.  

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

a  =  6%  �E �= 0

Effect  of  Baseline  Length  L  

Baseline  Length  L  should  be  long  enough.  

MH  difference  remains.  

|�m231|+�

|�m231|

L  =  30km  

MH  difference  can  disappear  when                                  is  shiUed.  

|�m231|+�

|�m231|

|�m231|

L  =  50km  

|�m231|

Sensi)vity  for  Mass  Hierarchy  

0

2

4

6

8

10

12

14

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r

2 ) min

L [km]

b = 0

a = 2% NH IH

3% NH IH

4% NH IH

5% NH IH

6% NH IH

20GW  5kton  5yrs  

opVmal  Baseline  L  ~  50km  

a  <  3%  is  required  for                                                

                                           .    (��2)min � 9

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

   Systema)c  Error  of  Resolu)on  

0

2

4

6

8

10

12

14

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(6r

2 ) min

L [km]

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

(2, 0.5) NH IH

(2, 0.75) NH IH

(2, 1) NH IH

b   opVmal  L  

b  <  1%  is  required  for                                                

                                           .    (��2)min � 9

20GW  5kton  5yrs  

�EE

=

��a�E

�2

+ b2

   Summary  

We  have  studied  the  sensi;vity  of    Medium  Baseline  Reactor  Experiments    for  MH  determina;on.  

For  20GW  5kton  5yrs  exposure,  

     50km      opVmal  Baseline  Length  

     a  <  3%        b  <  1%  

 for  determinaVon  of  MH  with  Reactor  neutrino.      

 of                                                                              is  required  �E

E=

��a�E

�2

+ b2

Expected  Sensi)vity  

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

0.01

0.1

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 - P

1m

2m

3m

4m

5m

×1

×4

×9

×1

×4

×9

×16

×25

No FluctuationFluctuation

(a, b) = (2, 0.5) (3, 0.75)

�(��2)min

               20GW  5kton  5yrs    �n

Parameter  measurement  

0.51.01.52.0

sin22e12

×10-2(a, b) = (3, 0.5) NH

IH(3, 1) NH

IH(6, 1) NH

IH

1234 sin22e13

×10-3

0.51.01.5

Stat

istic

al U

ncer

tain

ty

6m221

×10-6eV2

0246

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

L [km]

|6m231|

×10-5eV2

Fi_ed  parameter  values  are  not  sensi;ve  to  the  Energy  Resolu;on  

~  0.5%  accuracy  can  be  achieved  for    sin2 2�12,�m221,�m2

31

Mass  Hierarchy    

Which  Hierarcy  is  realized  in  Nature?  

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�