Determining the neutrino mass ordering and oscillation parameters with KM3NeT/ORCA

S. Aiello; A. Albert; S. Alves Garre; Z. Aly; A. Ambrosone; F. Ameli; M. Andre; G. Androulakis; M. Anghinolfi; M. Anguita; G. Anton; M. Ardid; S. Ardid; J. Aublin; C. Bagatelas; B. Baret; S. Basegmez Du Pree; M. Bendahman; F. Benfenati; E. Berbee; A.M. van den Berg; V. Bertin; S. Biagi; M. Bissinger; M. Boettcher; M. Bou Cabo; J. Boumaaza; M. Bouta; M. Bouwhuis; C. Bozza; H. Brânzaş; R. Bruijn; J. Brunner; R. Bruno; E. Buis; R. Buompane; J. Busto; B. Caiffi; D. Calvo; A. Capone; V. Carretero; P. Castaldi; S. Celli; M. Chabab; N. Chau; A. Chen; S. Cherubini; V. Chiarella; T. Chiarusi; M. Circella; R. Cocimano; J.A.B. Coelho; A. Coleiro; M. Colomer Molla; R. Coniglione; P. Coyle; A. Creusot; A. Cruz; G. Cuttone; Richard Dallier; B. de Martino; M. de Palma; M. Di Marino; I. Di Palma; A.F. Díaz; D. Diego-Tortosa; C. Distefano; A. Domi; C. Donzaud; D. Dornic; M. Dörr; D. Drouhin; T. Eberl; A. Eddyamoui; T. van Eeden; D. van Eijk; I. El Bojaddaini; D. Elsaesser; A. Enzenhöfer; V. Espinosa; P. Fermani; G. Ferrara; M.D. Filipović; F. Filippini; L.A. Fusco; T. Gal; A. Garcia Soto; F. Garufi; Y. Gatelet; N. Geisselbrecht; L. Gialanella; E. Giorgio; S.R. Gozzini; R. Gracia; K. Graf; D. Grasso; G. Grella; D. Guderian; C. Guidi; J. Haefner; S. Hallmann; H. Hamdaoui; H. van Haren; A. Heijboer; A. Hekalo; L. Hennig; J.J. Hernández-Rey; J. Hofestädt; F. Huang; W. Idrissi Ibnsalih; G. Illuminati; C.W. James; M. de Jong; P. de Jong; B.J. Jung; M. Kadler; P. Kalaczyński; O. Kalekin; U.F. Katz; N.R. Khan Chowdhury; G. Kistauri; F. van Der Knaap; P. Kooijman; A. Kouchner; M. Kreter; V. Kulikovskiy; R. Lahmann; M. Lamoureux; G. Larosa; C. Lastoria; R. Le Breton; S. Le Stum; O. Leonardi; F. Leone; E. Leonora; N. Lessing; G. Levi; M. Lincetto; M. Lindsey Clark; T. Lipreau; F. Longhitano; D. Lopez-Coto; L. Maderer; J. Mańczak; K. Mannheim; A. Margiotta; A. Marinelli; C. Markou; Lilian Martin; J.A. Martínez-Mora; A. Martini; F. Marzaioli; S. Mastroianni; K.W. Melis; G. Miele; P. Migliozzi; E. Migneco; P. Mijakowski; L.S. Miranda; C.M. Mollo; M. Morganti; M. Moser; A. Moussa; R. Muller; M. Musumeci; L. Nauta; S. Navas; C.A. Nicolau; B.Ó. Fearraigh; M. O'Sullivan; M. Organokov; A. Orlando; J. Palacios González; G. Papalashvili; R. Papaleo; C. Pastore; A.M. Păun; G.E. Păvălaş; C. Pellegrino; M. Perrin-Terrin; V. Pestel; P. Piattelli; C. Pieterse; K. Pikounis; O. Pisanti; C. Poirè; V. Popa; T. Pradier; G. Pühlhofer; S. Pulvirenti; O. Rabyang; F. Raffaelli; N. Randazzo; S. Razzaque; D. Real; S. Reck; G. Riccobene; A. Romanov; A. Rovelli; F. Salesa Greus; D.F.E. Samtleben; A. Sánchez Losa; M. Sanguineti; A. Santangelo; D. Santonocito; P. Sapienza; J. Schnabel; M.F. Schneider; J. Schumann; H.M. Schutte; J. Seneca; I. Sgura; R. Shanidze; A. Sharma; A. Sinopoulou; B. Spisso; M. Spurio; D. Stavropoulos; S.M. Stellacci; M. Taiuti; Y. Tayalati; E. Tenllado; H. Thiersen; S. Tingay; V. Tsourapis; E. Tzamariudaki; D. Tzanetatos; V. van Elewyck; George Vasileiadis; F. Versari; D. Vivolo; G. de Wasseige; J. Wilms; R. Wojaczyński; E. de Wolf; T. Yousfi; S. Zavatarelli; A. Zegarelli; D. Zito; J.D. Zornoza; J. Zúñiga; N. Zywucka

doi:10.1140/epjc/s10052-021-09893-0

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Determining the neutrino mass ordering and oscillation parameters with KM3NeT/ORCA

Journal article

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Peer reviewed

Determining the neutrino mass ordering and oscillation parameters with KM3NeT/ORCA

S. Aiello, A. Albert, S. Alves Garre, Z. Aly, A. Ambrosone, F. Ameli, M. Andre, G. Androulakis, M. Anghinolfi, M. Anguita, …

European Physical Journal C: Particles and Fields, Vol.82(1)

2022

DOI: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-09893-0

Abstract

neutrino: mass

neutrino: oscillation

neutrino: atmosphere

neutrino: mixing angle

neutrino: mass difference

neutrino/tau: particle identification

antineutrino/tau: particle identification

sensitivity

KM3NeT

unitarity

neutrino: mixing

data analysis method

experimental results

The next generation of water Cherenkov neutrino telescopes in the Mediterranean Sea are under construction offshore France (KM3NeT/ORCA) and Sicily (KM3NeT/ARCA). The KM3NeT/ORCA detector features an energy detection threshold which allows to collect atmospheric neutrinos to study flavour oscillation. This paper reports the KM3NeT/ORCA sensitivity to this phenomenon. The event reconstruction, selection and classification are described. The sensitivity to determine the neutrino mass ordering was evaluated and found to be 4.4$\sigma $ if the true ordering is normal and 2.3$\sigma $ if inverted, after 3 years of data taking. The precision to measure $\varDelta m^2_{32}$ and $\theta _{23}$ were also estimated and found to be $85 . 10^{-6}~{\mathrm{eV}^{2}}$ and $(^{+1.9}_{-3.1})^{\circ }$ for normal neutrino mass ordering and, $75 . 10^{-6}~{\mathrm{eV}^{2}}$ and $(^{+2.0}_{-7.0})^{\circ }$ for inverted ordering. Finally, a unitarity test of the leptonic mixing matrix by measuring the rate of tau neutrinos is described. Three years of data taking were found to be sufficient to exclude event rate variations larger than 20% at $3\sigma $ level.

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Title: Determining the neutrino mass ordering and oscillation parameters with KM3NeT/ORCA
Creators - without role: S. Aiello - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
A. Albert - Université de Strasbourg
S. Alves Garre - Instituto de Física Corpuscular
Z. Aly - Centre National de la Recherche Scientifique
A. Ambrosone - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
F. Ameli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
M. Andre - Cidete
G. Androulakis - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
M. Anghinolfi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
M. Anguita - Universidad de Granada
G. Anton - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
M. Ardid - Universitat Politècnica de València
S. Ardid - Universitat Politècnica de València
J. Aublin - Université Paris Cité
C. Bagatelas - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
B. Baret - Université Paris Cité
S. Basegmez Du Pree
M. Bendahman - Mohammed V University
F. Benfenati - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
E. Berbee - National Institute for Subatomic Physics
A.M. van den Berg - University of Groningen
V. Bertin - Aix-Marseille Université
S. Biagi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
M. Bissinger - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
M. Boettcher - North-West University
M. Bou Cabo
J. Boumaaza - Mohammed V University
M. Bouta - Mohamed I University
M. Bouwhuis - National Institute for Subatomic Physics
C. Bozza - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Gruppo Collegato di Salerno
H. Brânzaş - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
R. Bruijn - National Institute for Subatomic Physics
J. Brunner - Aix-Marseille Université
R. Bruno - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
E. Buis - Netherlands Organisation for Applied Scientific Research
R. Buompane - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
J. Busto - Aix-Marseille Université
B. Caiffi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
D. Calvo - Universitat de València
A. Capone - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
V. Carretero - Instituto de Física Corpuscular
P. Castaldi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
S. Celli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
M. Chabab - Cadi Ayyad University
N. Chau - AstroParticule et Cosmologie
A. Chen - University of the Witwatersrand
S. Cherubini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
V. Chiarella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
T. Chiarusi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
M. Circella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
R. Cocimano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
J.A.B. Coelho - Université Paris Cité
A. Coleiro - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
M. Colomer Molla - AstroParticule et Cosmologie
R. Coniglione - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
P. Coyle - Aix-Marseille Université
A. Creusot - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
A. Cruz - International Centre for Radio Astronomy Research
G. Cuttone - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
Richard Dallier - Centre National de la Recherche Scientifique
B. de Martino - Aix-Marseille Université
M. de Palma - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
M. Di Marino - University of Salerno
I. Di Palma - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
A.F. Díaz - Universidad de Granada
D. Diego-Tortosa - Universitat Politècnica de València
C. Distefano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
A. Domi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
C. Donzaud - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
D. Dornic - Centre National de la Recherche Scientifique
M. Dörr - University of Würzburg
D. Drouhin - Université de Strasbourg
T. Eberl - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Eddyamoui - Mohammed V University
T. van Eeden - National Institute for Subatomic Physics
D. van Eijk - National Institute for Subatomic Physics
I. El Bojaddaini
D. Elsaesser - University of Würzburg
A. Enzenhöfer - Aix-Marseille Université
V. Espinosa - Universitat Politècnica de València
P. Fermani - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
G. Ferrara - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
M.D. Filipović - Western Sydney University
F. Filippini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
L.A. Fusco - Aix-Marseille Université
T. Gal - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Garcia Soto
F. Garufi
Y. Gatelet - Université Paris Cité
N. Geisselbrecht
L. Gialanella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
E. Giorgio - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
S.R. Gozzini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
R. Gracia - National Institute for Subatomic Physics
K. Graf - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
D. Grasso - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
G. Grella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Gruppo Collegato di Salerno
D. Guderian - University of Münster
C. Guidi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
J. Haefner - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
S. Hallmann - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
H. Hamdaoui - Mohammed V University
H. van Haren - Royal Netherlands Institute for Sea Research
A. Heijboer - National Institute for Subatomic Physics
A. Hekalo - Fischer
L. Hennig - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
J.J. Hernández-Rey
J. Hofestädt - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
F. Huang - Centre National de la Recherche Scientifique
W. Idrissi Ibnsalih - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
G. Illuminati - Université Paris Cité
C.W. James - International Centre for Radio Astronomy Research
M. de Jong - National Institute for Subatomic Physics
P. de Jong - National Institute for Subatomic Physics
B.J. Jung - National Institute for Subatomic Physics
M. Kadler - University of Würzburg
P. Kalaczyński - National Centre for Nuclear Research
O. Kalekin - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
U.F. Katz - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
N.R. Khan Chowdhury
G. Kistauri - Tbilisi State University
F. van Der Knaap - Netherlands Organisation for Applied Scientific Research
P. Kooijman - University of Amsterdam
A. Kouchner - Université Paris Cité
M. Kreter - North-West University
V. Kulikovskiy - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
R. Lahmann - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
M. Lamoureux - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
G. Larosa - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
C. Lastoria - Aix-Marseille Université
R. Le Breton - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
S. Le Stum - Aix-Marseille Université
O. Leonardi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
F. Leone - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
E. Leonora - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
N. Lessing - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
G. Levi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
M. Lincetto - Centre National de la Recherche Scientifique
M. Lindsey Clark - Centre National de la Recherche Scientifique
T. Lipreau - Nantes Université
F. Longhitano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
D. Lopez-Coto - Universidad de Granada
L. Maderer - Université Paris Cité
J. Mańczak - Universitat de València
K. Mannheim - University of Würzburg
A. Margiotta - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
A. Marinelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
C. Markou - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
Lilian Martin - Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules
J.A. Martínez-Mora - Universitat Politècnica de València
A. Martini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
F. Marzaioli - University of Campania "Luigi Vanvitelli"
S. Mastroianni - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
K.W. Melis - National Institute for Subatomic Physics
G. Miele
P. Migliozzi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
E. Migneco - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
P. Mijakowski - National Centre for Nuclear Research
L.S. Miranda - University of Johannesburg
C.M. Mollo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
M. Morganti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
M. Moser - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
A. Moussa - Mohamed I University
R. Muller - National Institute for Subatomic Physics
M. Musumeci - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
L. Nauta - National Institute for Subatomic Physics
S. Navas - Universidad de Granada
C.A. Nicolau - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
B.Ó. Fearraigh - National Institute for Subatomic Physics
M. O'Sullivan
M. Organokov - Centre National de la Recherche Scientifique
A. Orlando - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
J. Palacios González - Instituto de Física Corpuscular
G. Papalashvili - Tbilisi State University
R. Papaleo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
C. Pastore - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
A.M. Păun - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
G.E. Păvălaş - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
C. Pellegrino - University of Bologna
M. Perrin-Terrin - Aix-Marseille Université
V. Pestel - National Institute for Subatomic Physics
P. Piattelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
C. Pieterse - Universitat de València
K. Pikounis - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
O. Pisanti
C. Poirè - Universitat Politècnica de València
V. Popa - Institute of Space Science - INFLPR Subsidiary
T. Pradier - Centre National de la Recherche Scientifique
G. Pühlhofer - University of Tübingen
S. Pulvirenti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
O. Rabyang - North-West University
F. Raffaelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
N. Randazzo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
S. Razzaque - University of Johannesburg
D. Real - Instituto de Física Corpuscular
S. Reck - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
G. Riccobene - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
A. Romanov - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
A. Rovelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
F. Salesa Greus
D.F.E. Samtleben - National Institute for Subatomic Physics
A. Sánchez Losa
M. Sanguineti - University of Genoa
A. Santangelo - University of Tübingen
D. Santonocito - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
P. Sapienza - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
J. Schnabel - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
M.F. Schneider - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
J. Schumann - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
H.M. Schutte - North-West University
J. Seneca - National Institute for Subatomic Physics
I. Sgura - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari
R. Shanidze - Tbilisi State University
A. Sharma - University of Pisa
A. Sinopoulou - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
B. Spisso - University of Salerno
M. Spurio - University of Bologna
D. Stavropoulos - National Centre of Scientific Research "Demokritos"
S.M. Stellacci - University of Salerno
M. Taiuti - University of Genoa
Y. Tayalati - Mohammed V University
E. Tenllado - Universidad de Granada
H. Thiersen - North-West University
S. Tingay - International Centre for Radio Astronomy Research
V. Tsourapis - Institute of Nuclear and Particle Physics
E. Tzamariudaki - Institute of Nuclear and Particle Physics
D. Tzanetatos - Institute of Nuclear and Particle Physics
V. van Elewyck - Institut Universitaire de France
George Vasileiadis - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
F. Versari - University of Bologna
D. Vivolo - University of Campania "Luigi Vanvitelli"
G. de Wasseige - Université Paris Cité
J. Wilms - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
R. Wojaczyński - National Centre for Nuclear Research
E. de Wolf - University of Amsterdam
T. Yousfi - Mohamed I University
S. Zavatarelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
A. Zegarelli - Sapienza University of Rome
D. Zito - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud
J.D. Zornoza - Instituto de Física Corpuscular
J. Zúñiga - Instituto de Física Corpuscular
N. Zywucka - North-West University
Publication Details: European Physical Journal C: Particles and Fields, Vol.82(1)
Identifiers: 9934209909311
Academic Unit: Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
Language: English
Resource Type: Journal article
Local Fields: hal-03191157