Updated physics performance of the ESSnuSB experiment
A. Alekou, E. Baussan, Neven Blaskovic Kraljevic, Mattias Blennow, M. Bogomilov, E. Bouquerel, A. Burgman, C.J. Carlile, J. Cederkäll, P. Christiansen, Max Collins, E. Cristaldo Morales, L. D’Alessi, H. Danared, J. P. A. M. de André, J. P. Delahaye, M. Dracos, I. Efthymiopoulos, T. Ekelöf, Mohammad Eshraqi, G. Fanourakis, E. Fernández-Martínez, B. Folsom, Monojit Ghosh, G. Gökbulut, L. Halić, A. Kayis Topaksu, B. Kliček, K. Krhač, M. Lindroos, M. Mezzetto, M. Oglakci, Tommy Ohlsson, Maja Olvegård, Toshihiko Ota, J. Park, G. Petkov, Pascal Poussot, S. Rosauro-Alcaraz, G. Stavropoulos, M. Stipčević, F. Terranova, J. Thomas, T. Tolba, R. Tsenov, G. Vankova-Kirilova, N. Vassilopoulos, E. Wildner, Jacques Wurtz, O. Zormpa, Ye Zou
Abstract
Abstract In this paper, we present the physics performance of the ESSnuSB experiment in the standard three flavor scenario using the updated neutrino flux calculated specifically for the ESSnuSB configuration and updated migration matrices for the far detector. Taking conservative systematic uncertainties corresponding to a normalization error of $$5\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> for signal and $$10\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> for background, we find that there is $$10\sigma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> $$(13\sigma )$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>13</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> CP violation discovery sensitivity for the baseline option of 540 km (360 km) at $$\delta _\mathrm{CP} = \pm 90^\circ $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mi>CP</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>90</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . The corresponding fraction of $$\delta _\mathrm{CP}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mi>CP</mml:mi> </mml:msub> </mml:math> for which CP violation can be discovered at more than $$5 \sigma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> is $$70\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>70</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> . Regarding CP precision measurements, the $$1\sigma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> error associated with $$\delta _\mathrm{CP} = 0^\circ $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mi>CP</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> is around $$5^\circ $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> and with $$\delta _\mathrm{CP} = -90^\circ $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mi>CP</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>90</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> is around $$14^\circ $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mn>14</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> $$(7^\circ )$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>7</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> for the baseline option of 540 km (360 km). For hierarchy sensitivity, one can have $$3\sigma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> sensitivity for 540 km baseline except $$\delta _\mathrm{CP} = \pm 90^\circ $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mi>CP</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>90</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and $$5\sigma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> sensitivity for 360 km baseline for all values of $$\delta _\mathrm{CP}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>δ</mml:mi> <mml:mi>CP</mml:mi> </mml:msub> </mml:math> . The octant of $$\theta _{23}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>θ</mml:mi> <mml:mn>23</mml:mn> </mml:msub> </mml:math> can be determined at $$3 \sigma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> for the values of: $$\theta _{23} > 51^\circ $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>θ</mml:mi> <mml:mn>23</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>></mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>51</mml:mn> <mml:mo>∘</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> (<jats:inl