Neutrino oscillation physics potential of the T2K experiment

Abe, K.; Adam, J.; Aihara, H.; Akiri, T.; Andreopoulos, C.; Aoki, S.; Ariga, A.; Assylbekov, S.; Autiero, D.; Barbi, M.; Barker, G. J.; Barr, G.; Bartet Friburg, P.; Bass, M.; Batkiewicz, M.; Bay, F.; Berardi, Vincenzo; Berger, B. E.; Berkman, S.; Bhadra, S.; Blaszczyk, F. D. M.; Blondel, A.; Bojechko, C.; Bordoni, S.; Boyd, S. B.; Brailsford, D.; Bravar, A.; Bronner, C.; Buchanan, N.; Calland, R. G.; Caravaca Rodríguez, J.; Cartwright, S. L.; Castillo, R.; Catanesi, M. G.; Cervera, A.; Cherdack, D.; Christodoulou, G.; Clifton, A.; Coleman, J.; Coleman, S. J.; Collazuol, G.; Connolly, K.; Cremonesi, L.; Dabrowska, A.; Danko, I.; Das, R.; Davis, S.; De Perio, P.; De Rosa, G.; Dealtry, T.; Dennis, S. R.; Densham, C.; Dewhurst, D.; Di Lodovico, F.; Di Luise, S.; Drapier, O.; Duboyski, T.; Duffy, K.; Dumarchez, J.; Dytman, S.; Dziewiecki, M.; Emery Schrenk, S.; Ereditato, A.; Escudero, L.; Feusels, T.; Finch, A. J.; Fiorentini, G. A.; Friend, M.; Fujii, Y.; Fukuda, Y.; Furmanski, A. P.; Galymov, V.; Garcia, A.; Giffin, S.; Giganti, C.; Gilje, K.; Goeldi, D.; Golan, T.; Gonin, M.; Grant, N.; Gudin, D.; Hadley, D. R.; Haegel, L.; Haesler, A.; Haigh, M. D.; Hamilton, P.; Hansen, D.; Hara, T.; Hartz, M.; Hasegawa, T.; Hastings, N. C.; Hayashino, T.; Hayato, Y.; Hearty, C.; Helmer, R. L.; Hierholzer, M.; Hignight, J.; Hillairet, A.; Himmel, A.; Hiraki, T.; Hirota, S.; Holeczek, J.; Horikawa, S.; Huang, K.; Ichikawa, A. K.; Ieki, K.; Ieva, M.; Ikeda, M.; Imber, J.; Insler, J.; Irvine, T. J.; Ishida, T.; Ishii, T.; Iwai, E.; Iwamoto, K.; Iyogi, K.; Izmaylov, A.; Jacob, A.; Jamieson, B.; Johnson, R. A.; Johnson, S.; J. H., Jo; Jonsson, P.; Jung, C. K.; Kabirnezhad, M.; Kaboth, A. C.; Kajita, T.; Kakuno, H.; Kameda, J.; Kanazawa, Y.; Karlen, D.; Karpikov, I.; Katori, T.; Kearns, E.; Khabibullin, M.; Khotjantsev, A.; Kielczewska, D.; Kikawa, T.; Kilinski, A.; Kim, J.; King, S.; Kisiel, J.; Kitching, P.; Kobayashi, T.; Koch, L.; Koga, T.; Kolaceke, A.; Konaka, A.; Kormos, L. L.; Korzenev, A.; Koshio, Y.; Kropp, W.; Kubo, H.; Kudenko, Y.; Kurjata, R.; Kutter, T.; Lagoda, J.; Laihem, K.; Lamont, I.; Larkin, E.; Laveder, M.; Lawe, M.; Lazos, M.; Lindner, T.; Lister, C.; Litchfield, R. P.; Longhin, A.; Lopez, J. P.; Ludovici, L.; Magaletti, Lorenzo; Mahn, K.; Malek, M.; Manly, S.; Marino, A. D.; Marteau, J.; Martin, J. F.; Martins, P.; Martynenko, S.; Maruyama, T.; Matveev, V.; Mavrokoridis, K.; Mazzucato, E.; Mccarthy, M.; Mccauley, N.; Mcfarland, K. S.; Mcgrew, C.; Mefodiev, A.; Metelko, C.; Mezzetto, M.; Mijakowski, P.; Miller, C. A.; Minamino, A.; Mineev, O.; Missert, A.; Miura, M.; Moriyama, S.; Mueller, T. h. A.; Murakami, A.; Murdoch, M.; Murphy, S.; Myslik, J.; Nakadaira, T.; Nakahata, M.; Nakamura, K. G.; Nakamura, K.; Nakayama, S.; Nakaya, T.; Nakayoshi, K.; Nantais, C.; Nielsen, C.; Nirkko, M.; Nishikawa, K.; Nishimura, Y.; Nowak, J.; O'Keeffe, H. M.; Ohta, R.; Okumura, K.; Okusawa, T.; Oryszczak, W.; Oser, S. M.; Ovsyannikova, T.; Owen, R. A.; Oyama, Y.; Palladino, V.; Palomino, J. L.; Paolone, V.; Payne, D.; Perevozchikov, O.; Perkin, J. D.; Petrov, Y.; Pickard, L.; Pinzon Guerra, E. S.; Pistillo, C.; Plonski, P.; Poplawska, E.; Popov, B.; Posiadala Zezula, M.; Poutissou, J. M.; Poutissou, R.; Przewlocki, P.; Quilain, B.; Radicioni, E.; Ratoff, P. N.; Ravonel, M.; Rayner, M. A. M.; Redij, A.; Reeves, M.; Reinherz Aronis, E.; Riccio, C.; Rodrigues, P. A.; Rojas, P.; Rondio, E.; Roth, S.; Rubbia, A.; Ruterbories, D.; Sacco, R.; Sakashita, K.; Sánchez, F.; Sato, F.; Scantamburlo, E.; Scholberg, K.; Schoppmann, S.; Schwehr, J.; Scott, M.; Seiya, Y.; Sekiguchi, T.; Sekiya, H.; Sgalaberna, D.; Shah, R.; Shaker, F.; Shiozawa, M.; Short, S.; Shustrov, Y.; Sinclair, P.; Smith, B.; Smy, M.; Sobczyk, J. T.; Sobel, H.; Sorel, M.; Southwell, L.; Stamoulis, P.; Steinmann, J.; Still, B.; Suda, Y.; Suzuki, A.; Suzuki, K.; Suzuki, S. Y.; Suzuki, Y.; Tacik, R.; Tada, M.; Takahashi, S.; Takeda, A.; Takeuchi, Y.; Tanaka, H. K.; Tanaka, H. A.; Tanaka, M. M.; Terhorst, D.; Terri, R.; Thompson, L. F.; Thorley, A.; Tobayama, S.; Toki, W.; Tomura, T.; Totsuka, Y.; Touramanis, C.; Tsukamoto, T.; Tzanov, M.; Uchida, Y.; Vacheret, A.; Vagins, M.; Vasseur, G.; Wachala, T.; Waldron, A. V.; Wakamatsu, K.; Walter, C. W.; Wark, D.; Warzycha, W.; Wascko, M. O.; Weber, A.; Wendell, R.; Wilkes, R. J.; Wilking, M. J.; Wilkinson, C.; Williamson, Z.; Wilson, J. R.; Wilson, R. J.; Wongjirad, T.; Yamada, Y.; Yamamoto, K.; Yanagisawa, C.; Yano, T.; Yen, S.; Yershov, N.; Yokoyama, M.; Yoshida, K.; Yuan, T.; Yu, M.; Zalewska, A.; Zalipska, J.; Zambelli, L.; Zaremba, K.; Ziembicki, M.; Zimmerman, E. D.; Zito, M.; Zmuda, J.

doi:10.1093/ptep/ptv031

The observation of the recent electron neutrino appearance in a muon neutrino beam and the high-precision measurement of the mixing angle θ13 have led to a re-evaluation of the physics potential of the T2K long-baseline neutrino oscillation experiment. Sensitivities are explored for CP violation in neutrinos, non-maximal sin22θ23, the octant of θ23, and the mass hierarchy, in addition to the measurements of δCP, sin2θ23, and Δm232, for various combinations of ν-mode and ν¯-mode data-taking. With an exposure of 7.8×1021 protons-on-target, T2K can achieve 1σ resolution of 0.050 (0.054) on sin2θ23 and 0.040 (0.045)×10−3eV2 on Δm232 for 100% (50%) neutrino beam mode running assuming sin2θ23=0.5 and Δm232=2.4×10−3eV2. T2K will have sensitivity to the CP-violating phase δCP at 90% C.L. or better over a significant range. For example, if sin22θ23 is maximal (i.e. θ23=45∘) the range is −115∘<δCP<−60∘ for normal hierarchy and +50∘<δCP<+130∘ for inverted hierarchy. When T2K data is combined with data from the NOνA experiment, the region of oscillation parameter space where there is sensitivity to observe a non-zero δCP is substantially increased compared to if each experiment is analyzed alone.