Resumen
A primary goal of the upcoming Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is to measure the O(10) MeV neutrinos produced by a Galactic core-collapse supernova if one should occur during the lifetime of the experiment. The liquid-argon-based detectors planned for DUNE are expected to be uniquely sensitive to the νe component of the supernova flux, enabling a wide variety of physics and astrophysics measurements. A key requirement for a correct interpretation of these measurements is a good understanding of the energy-dependent total cross section σ(Eν) for charged-current νe absorption on argon. In the context of a simulated extraction of supernova νe spectral parameters from a toy analysis, we investigate the impact of σ(Eν) modeling uncertainties on DUNE's supernova neutrino physics sensitivity for the first time. We find that the currently large theoretical uncertainties on σ(Eν) must be substantially reduced before the νe flux parameters can be extracted reliably; in the absence of external constraints, a measurement of the integrated neutrino luminosity with less than 10% bias with DUNE requires σ(Eν) to be known to about 5%. The neutrino spectral shape parameters can be known to better than 10% for a 20% uncertainty on the cross-section scale, although they will be sensitive to uncertainties on the shape of σ(Eν). A direct measurement of low-energy νe-argon scattering would be invaluable for improving the theoretical precision to the needed level.
Idioma original | Inglés |
---|---|
Número de artículo | 112012 |
Publicación | Physical Review D |
Volumen | 107 |
N.º | 11 |
DOI | |
Estado | Publicada - 1 jun. 2023 |
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En: Physical Review D, Vol. 107, N.º 11, 112012, 01.06.2023.
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T1 - Impact of cross-section uncertainties on supernova neutrino spectral parameter fitting in the Deep Underground Neutrino Experiment
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AU - Moura, C. A.
AU - Mousseau, J.
AU - Mouster, G.
AU - Mu, W.
AU - Mualem, L.
AU - Mueller, J.
AU - Muether, M.
AU - Muheim, F.
AU - Muir, A.
AU - Mulhearn, M.
AU - Munford, D.
AU - Munteanu, L. J.
AU - Muramatsu, H.
AU - Muraz, J.
AU - Murphy, M.
AU - Murphy, T.
AU - Musser, J.
AU - Nachtman, J.
AU - Nagai, Y.
AU - Nagu, S.
AU - Nalbandyan, M.
AU - Nandakumar, R.
AU - Naples, D.
AU - Narita, S.
AU - Nath, A.
AU - Navrer-Agasson, A.
AU - Nayak, N.
AU - Nebot-Guinot, M.
AU - Negishi, K.
AU - Nehm, A.
AU - Nelson, J. K.
AU - Nelson, M.
AU - Nesbit, J.
AU - Nessi, M.
AU - Newbold, D.
AU - Newcomer, M.
AU - Newton, H.
AU - Nichol, R.
AU - Nicolas-Arnaldos, F.
AU - Nikolica, A.
AU - Nikolov, J.
AU - Niner, E.
AU - Nishimura, K.
AU - Norman, A.
AU - Norrick, A.
AU - Novella, P.
AU - Nowak, J. A.
AU - Oberling, M.
AU - Ochoa-Ricoux, J. P.
AU - Olivier, A.
AU - Olshevskiy, A.
AU - Olson, T.
AU - Onel, Y.
AU - Onishchuk, Y.
AU - Oranday, A.
AU - Otiniano Ormachea, L.
AU - Ott, J.
AU - Pagani, L.
AU - Palacio, G.
AU - Palamara, O.
AU - Palestini, S.
AU - Paley, J. M.
AU - Pallavicini, M.
AU - Palomares, C.
AU - Pan, S.
AU - Panduro Vazquez, W.
AU - Pantic, E.
AU - Paolone, V.
AU - Papadimitriou, V.
AU - Papaleo, R.
AU - Papanestis, A.
AU - Paramesvaran, S.
AU - Paris, A.
AU - Parke, S.
AU - Parozzi, E.
AU - Parsa, S.
AU - Parsa, Z.
AU - Parveen, S.
AU - Parvu, M.
AU - Pasciuto, D.
AU - Pascoli, S.
AU - Pasqualini, L.
AU - Pasternak, J.
AU - Pater, J.
AU - Patrick, C.
AU - Patrizii, L.
AU - Patterson, R. B.
AU - Patton, S. J.
AU - Patzak, T.
AU - Paudel, A.
AU - Paulucci, L.
AU - Pavlovic, Z.
AU - Pawloski, G.
AU - Payne, D.
AU - Pec, V.
AU - Peeters, S. J.M.
AU - Pena Perez, A.
AU - Pennacchio, E.
AU - Penzo, A.
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AU - Perez Gonzalez, Y. F.
AU - Pérez-Molina, L.
AU - Pernas, C.
AU - Perry, J.
AU - Pershey, D.
AU - Pessina, G.
AU - Petrillo, G.
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AU - Petti, R.
AU - Pia, V.
AU - Pickering, L.
AU - Pietropaolo, F.
AU - Pimentel, V. L.
AU - Pinaroli, G.
AU - Plows, K.
AU - Plunkett, R.
AU - Pollack, C.
AU - Pollman, T.
AU - Pompa, F.
AU - Pons, X.
AU - Poonthottathil, N.
AU - Poppi, F.
AU - Pordes, S.
AU - Porter, J.
AU - Potekhin, M.
AU - Potenza, R.
AU - Potukuchi, B. V.K.S.
AU - Pozimski, J.
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AU - Prakash, T.
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AU - Prest, M.
AU - Psihas, F.
AU - Pugnere, D.
AU - Qian, X.
AU - Raaf, J. L.
AU - Radeka, V.
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AU - Radics, B.
AU - Rafique, A.
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AU - Rai, M.
AU - Rajaoalisoa, M.
AU - Rakhno, I.
AU - Rakotondravohitra, L.
AU - Rameika, R.
AU - Ramirez Delgado, M. A.
AU - Ramson, B.
AU - Rappoldi, A.
AU - Raselli, G.
AU - Ratoff, P.
AU - Ray, R.
AU - Razafinime, H.
AU - Razakamiandra, R. F.
AU - Rea, E. M.
AU - Real, J. S.
AU - Rebel, B.
AU - Rechenmacher, R.
AU - Reggiani-Guzzo, M.
AU - Reichenbacher, J.
AU - Reitzner, S. D.
AU - Rejeb Sfar, H.
AU - Renshaw, A.
AU - Rescia, S.
AU - Resnati, F.
AU - Ribas, M.
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AU - Riccio, C.
AU - Riccobene, G.
AU - Rice, L. C.J.
AU - Ricol, J. S.
AU - Rigamonti, A.
AU - Rigan, M.
AU - Rincón, E. V.
AU - Ritchie-Yates, A.
AU - Ritter, S.
AU - Rivera, D.
AU - Rivera, R.
AU - Robert, A.
AU - Rocabado Rocha, J. L.
AU - Rochester, L.
AU - Roda, M.
AU - Rodrigues, P.
AU - Rodriguez Alonso, M. J.
AU - Rodriguez Rondon, J.
AU - Rosauro-Alcaraz, S.
AU - Rosier, P.
AU - Rossella, M.
AU - Rossi, M.
AU - Ross-Lonergan, M.
AU - Rout, J.
AU - Roy, P.
AU - Rubbia, C.
AU - Ruiz Ferreira, G.
AU - Russell, B.
AU - Ruterbories, D.
AU - Rybnikov, A.
AU - Saa-Hernandez, A.
AU - Saakyan, R.
AU - Sacerdoti, S.
AU - Sahoo, S. K.
AU - Sahu, N.
AU - Sala, P.
AU - Samana, A. R.
AU - Samios, N.
AU - Samoylov, O.
AU - Sanchez, M. C.
AU - Sanchez-Lucas, P.
AU - Sandberg, V.
AU - Sanders, D. A.
AU - Sankey, D.
AU - Santoro, D.
AU - Saoulidou, N.
AU - Sapienza, P.
AU - Sarasty, C.
AU - Sarcevic, I.
AU - Sarra, I.
AU - Savage, G.
AU - Savinov, V.
AU - Scanavini, G.
AU - Scaramelli, A.
AU - Scarff, A.
AU - Scarpelli, A.
AU - Schefke, T.
AU - Schellman, H.
AU - Schifano, S.
AU - Schlabach, P.
AU - Schmitz, D.
AU - Schneider, A. W.
AU - Scholberg, K.
AU - Schukraft, A.
AU - Segreto, E.
AU - Selyunin, A.
AU - Senise, C. R.
AU - Sensenig, J.
AU - Shaevitz, M. H.
AU - Shafaq, S.
AU - Shaker, F.
AU - Shanahan, P.
AU - Sharma, H. R.
AU - Sharma, R.
AU - Kumar, R.
AU - Shaw, K.
AU - Shaw, T.
AU - Shchablo, K.
AU - Shepherd-Themistocleous, C.
AU - Sheshukov, A.
AU - Shi, W.
AU - Shin, S.
AU - Shoemaker, I.
AU - Shooltz, D.
AU - Shrock, R.
AU - Siddi, B.
AU - Silber, J.
AU - Simard, L.
AU - Sinclair, J.
AU - Sinev, G.
AU - Singh, Jaydip
AU - Singh, J.
AU - Singh, L.
AU - Singh, P.
AU - Singh, V.
AU - Singh Chauhan, S.
AU - Sipos, R.
AU - Sironneau, C.
AU - Sirri, G.
AU - Siyeon, K.
AU - Skarpaas, K.
AU - Smith, E.
AU - Smith, P.
AU - Smolik, J.
AU - Smy, M.
AU - Snider, E. L.
AU - Snopok, P.
AU - Snowden-Ifft, D.
AU - Soares Nunes, M.
AU - Sobel, H.
AU - Soderberg, M.
AU - Sokolov, S.
AU - Solano Salinas, C. J.
AU - Söldner-Rembold, S.
AU - Soleti, S. R.
AU - Solomey, N.
AU - Solovov, V.
AU - Sondheim, W. E.
AU - Sorel, M.
AU - Sotnikov, A.
AU - Soto-Oton, J.
AU - Sousa, A.
AU - Soustruznik, K.
AU - Spagliardi, F.
AU - Spanu, M.
AU - Spitz, J.
AU - Spooner, N. J.C.
AU - Spurgeon, K.
AU - Stalder, D.
AU - Stancari, M.
AU - Stanco, L.
AU - Steenis, J.
AU - Stein, R.
AU - Steiner, H. M.
AU - Steklain Lisbôa, A. F.
AU - Stepanova, A.
AU - Stewart, J.
AU - Stillwell, B.
AU - Stock, J.
AU - Stocker, F.
AU - Stokes, T.
AU - Strait, M.
AU - Strauss, T.
AU - Strigari, L.
AU - Stuart, A.
AU - Suarez, J. G.
AU - Subash, J.
AU - Surdo, A.
AU - Suter, L.
AU - Sutera, C. M.
AU - Sutton, K.
AU - Suvorov, Y.
AU - Svoboda, R.
AU - Swain, S. K.
AU - Szczerbinska, B.
AU - Szelc, A. M.
AU - Taffara, A.
AU - Talukdar, N.
AU - Tamara, J.
AU - Tanaka, H. A.
AU - Tang, S.
AU - Taniuchi, N.
AU - Tapia Oregui, B.
AU - Tapper, A.
AU - Tariq, S.
AU - Tarpara, E.
AU - Tatar, E.
AU - Tayloe, R.
AU - Teklu, A. M.
AU - Tennessen, P.
AU - Tenti, M.
AU - Terao, K.
AU - Terranova, F.
AU - Testera, G.
AU - Thakore, T.
AU - Thea, A.
AU - Thompson, A.
AU - Thorn, C.
AU - Timm, S. C.
AU - Tishchenko, V.
AU - Todorović, N.
AU - Tomassetti, L.
AU - Tonazzo, A.
AU - Torbunov, D.
AU - Torti, M.
AU - Tortola, M.
AU - Tortorici, F.
AU - Tosi, N.
AU - Totani, D.
AU - Toups, M.
AU - Touramanis, C.
AU - Travaglini, R.
AU - Trevor, J.
AU - Trilov, S.
AU - Trzaska, W. H.
AU - Tsai, Y.
AU - Tsai, Y. T.
AU - Tsamalaidze, Z.
AU - Tsang, K. V.
AU - Tsverava, N.
AU - Tu, S. Z.
AU - Tufanli, S.
AU - Tull, C.
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AU - Tuzi, M.
AU - Tyler, J.
AU - Tyley, E.
AU - Tzanov, M.
AU - Uchida, M. A.
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AU - Utaegbulam, H.
AU - Uzunyan, S.
AU - Vagins, M. R.
AU - Vahle, P.
AU - Valder, S.
AU - Valdiviesso, G. D.A.
AU - Valencia, E.
AU - Valentim, R.
AU - Vallari, Z.
AU - Vallazza, E.
AU - Valle, J. W.F.
AU - Vallecorsa, S.
AU - Van Berg, R.
AU - Van De Water, R. G.
AU - Vanegas Forero, D.
AU - Varanini, F.
AU - Vargas Oliva, D.
AU - Varner, G.
AU - Vasina, S.
AU - Vaughan, N.
AU - Vaziri, K.
AU - Vega, J.
AU - Ventura, S.
AU - Verdugo, A.
AU - Vergani, S.
AU - Vermeulen, M. A.
AU - Verzocchi, M.
AU - Vicenzi, M.
AU - Vieira De Souza, H.
AU - Vignoli, C.
AU - Vilela, C.
AU - Viren, B.
AU - Vizcaya-Hernandez, A.
AU - Vrba, T.
AU - Vuong, Q.
AU - Waldron, A. V.
AU - Wallbank, M.
AU - Walsh, J.
AU - Walton, T.
AU - Wang, H.
AU - Wang, J.
AU - Wang, L.
AU - Wang, M. H.L.S.
AU - Wang, X.
AU - Wang, Y.
AU - Warburton, K.
AU - Warner, D.
AU - Wascko, M. O.
AU - Waters, D.
AU - Watson, A.
AU - Wawrowska, K.
AU - Weatherly, P.
AU - Weber, A.
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AU - Wei, H.
AU - Weinstein, A.
AU - Wenman, D.
AU - Wetstein, M.
AU - Whilhelmi, J.
AU - White, A.
AU - White, A.
AU - Whitehead, L. H.
AU - Whittington, D.
AU - Wilking, M. J.
AU - Wilkinson, A.
AU - Wilkinson, C.
AU - Williams, Z.
AU - Wilson, F.
AU - Wilson, R. J.
AU - Wisniewski, W.
AU - Wolcott, J.
AU - Wolfs, J.
AU - Wongjirad, T.
AU - Wood, A.
AU - Wood, K.
AU - Worcester, E.
AU - Worcester, M.
AU - Wospakrik, M.
AU - Wresilo, K.
AU - Wret, C.
AU - Wu, S.
AU - Wu, W.
AU - Wu, W.
AU - Wurm, M.
AU - Wyenberg, J.
AU - Xiao, Y.
AU - Xiotidis, I.
AU - Yaeggy, B.
AU - Yahlali, N.
AU - Yandel, E.
AU - Yang, G.
AU - Yang, K.
AU - Yang, T.
AU - Yankelevich, A.
AU - Yershov, N.
AU - Yonehara, K.
AU - Yoon, Y. S.
AU - Young, T.
AU - Yu, B.
AU - Yu, H.
AU - Yu, H.
AU - Yu, J.
AU - Yu, Y.
AU - Yuan, W.
AU - Zaki, R.
AU - Zalesak, J.
AU - Zambelli, L.
AU - Zamorano, B.
AU - Zani, A.
AU - Zazueta, L.
AU - Zeller, G. P.
AU - Zennamo, J.
AU - Zeug, K.
AU - Zhang, C.
AU - Zhang, S.
AU - Zhang, Y.
AU - Zhao, M.
AU - Zhivun, E.
AU - Zimmerman, E. D.
AU - Zucchelli, S.
AU - Zuklin, J.
AU - Zutshi, V.
AU - Zwaska, R.
N1 - 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,” Junta de Andalucía-FEDER, MICINN, and Xunta de Galicia, Spain; SERI and SNSF, Switzerland; TÜBİTAK, Turkey; The Royal Society and UKRI/STFC, United Kingdom; DOE and NSF, United States of America. This work was also supported by FAPESB T. O. PIE 0013/2016 and UESC/PROPP 0010299-61. Publisher Copyright: © 2023 authors. Published by the American Physical Society. Published by the American Physical Society under the terms of the "https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article's title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP3.
PY - 2023/6/1
Y1 - 2023/6/1
N2 - A primary goal of the upcoming Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is to measure the O(10) MeV neutrinos produced by a Galactic core-collapse supernova if one should occur during the lifetime of the experiment. The liquid-argon-based detectors planned for DUNE are expected to be uniquely sensitive to the νe component of the supernova flux, enabling a wide variety of physics and astrophysics measurements. A key requirement for a correct interpretation of these measurements is a good understanding of the energy-dependent total cross section σ(Eν) for charged-current νe absorption on argon. In the context of a simulated extraction of supernova νe spectral parameters from a toy analysis, we investigate the impact of σ(Eν) modeling uncertainties on DUNE's supernova neutrino physics sensitivity for the first time. We find that the currently large theoretical uncertainties on σ(Eν) must be substantially reduced before the νe flux parameters can be extracted reliably; in the absence of external constraints, a measurement of the integrated neutrino luminosity with less than 10% bias with DUNE requires σ(Eν) to be known to about 5%. The neutrino spectral shape parameters can be known to better than 10% for a 20% uncertainty on the cross-section scale, although they will be sensitive to uncertainties on the shape of σ(Eν). A direct measurement of low-energy νe-argon scattering would be invaluable for improving the theoretical precision to the needed level.
AB - A primary goal of the upcoming Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is to measure the O(10) MeV neutrinos produced by a Galactic core-collapse supernova if one should occur during the lifetime of the experiment. The liquid-argon-based detectors planned for DUNE are expected to be uniquely sensitive to the νe component of the supernova flux, enabling a wide variety of physics and astrophysics measurements. A key requirement for a correct interpretation of these measurements is a good understanding of the energy-dependent total cross section σ(Eν) for charged-current νe absorption on argon. In the context of a simulated extraction of supernova νe spectral parameters from a toy analysis, we investigate the impact of σ(Eν) modeling uncertainties on DUNE's supernova neutrino physics sensitivity for the first time. We find that the currently large theoretical uncertainties on σ(Eν) must be substantially reduced before the νe flux parameters can be extracted reliably; in the absence of external constraints, a measurement of the integrated neutrino luminosity with less than 10% bias with DUNE requires σ(Eν) to be known to about 5%. The neutrino spectral shape parameters can be known to better than 10% for a 20% uncertainty on the cross-section scale, although they will be sensitive to uncertainties on the shape of σ(Eν). A direct measurement of low-energy νe-argon scattering would be invaluable for improving the theoretical precision to the needed level.
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85164022337&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.1103/PhysRevD.107.112012
DO - 10.1103/PhysRevD.107.112012
M3 - Artículo
AN - SCOPUS:85164022337
SN - 2470-0010
VL - 107
JO - Physical Review D
JF - Physical Review D
IS - 11
M1 - 112012
ER -