Resolving Lorentz-Violating New Physics at ESSnuSB Using High-Statistics Complementarity with T2HK

Sintesi Tecnica: Risoluzione della Nuova Fisica che Viola la Lorentz-Invarianza con ESSnuSB utilizzando la Complementarità ad Alta Statistica con T2HK

Problematica
I prossimi esperimenti di oscillazione dei neutrini a lungo raggio (LBL) mirano a risolvere incognite critiche nel quadro di miscelazione a tre sapori, tra cui l'ordine di massa dei neutrini, la fase di violazione CP di Dirac ($\delta_{CP}$) e l'ottante dell'angolo di miscelazione atmosferica ($\theta_{23}$). Un obiettivo parallelo è la ricerca della violazione della Lorentz-Invarianza (LIV) su scala Planck. Tuttavia, la presenza di parametri LIV isotropi e che violano la CPT ($a_{\alpha\beta}$) introduce effetti di fase non standard che distorcono le probabilità di oscillazione standard. Queste distorsioni creano gravi degenerazioni di parametri, in particolare tra gli effetti LIV e i parametri standard $\theta_{23}$ e $\delta_{CP}$. Se non tenuti in conto, queste degenerazioni possono portare a determinazioni errate dei parametri di oscillazione standard o a "soluzioni false" in cui la nuova fisica viene interpretata come fisica standard. Lavori precedenti hanno indicato che, sebbene la combinazione delle due proposte basi per l'ESSnuSB (European Spallation Source neutrino Super Beam) — 360 km e 540 km — migliori la sensibilità alla LIV, essa non riesce a risolvere completamente queste degenerazioni, lasciando spesso soluzioni false di "ottante errato" per $\theta_{23}$.

Metodologia
Gli autori utilizzano il General Long Baseline Experiment Simulator (GLoBES) per eseguire un'analisi fenomenologica confrontando le capacità individuali e combinate dei proposti esperimenti ESSnuSB e T2HK (Tokai to Hyper-Kamiokande).

• Quadro Teorico: Lo studio impiega il framework della Standard-Model Extension (SME), concentrandosi sui coefficienti isotropi, CPT-odd ($a_{\alpha\beta}$). L'analisi considera l'Hamiltoniana effettiva modificata per la propagazione dei neutrini, dove $a_{\alpha\beta}$ agisce come una perturbazione statica e indipendente dall'energia. La propagazione degli antineutrini è trattata con un'inversione di segno e coniugazione complessa del contributo LIV per sondare la violazione della CPT.
• Configurazioni Sperimentali:
  • ESSnuSB: Simulato con due basi: 360 km (Zinkgruvan) e 540 km (Garpenberg), entrambi con rivelatori Water Cherenkov da 538 kton. La base di 540 km mira al secondo massimo di oscillazione ($\sim$0.35 GeV), mentre la base di 360 km campiona sia il primo che il secondo massimo. Il tempo di funzionamento è diviso equamente (5 anni) tra le modalità neutrino e antineutrino.
  • T2HK: Simulato con una base di 295 km e un rivelatore Water Cherenkov da 187 kton, mirando al primo massimo di oscillazione ($\sim$0.6 GeV). Il tempo di funzionamento è diviso con un rapporto 1:3 (2.5 anni neutrino, 7.5 anni antineutrino) per bilanciare la statistica degli eventi.
• Strategia di Analisi: Lo studio impiega un'analisi $\chi^2$ con marginalizzazione sui parametri di oscillazione standard (utilizzando i vincoli di NuFit-6.0 e JUNO) e sulle fasi LIV. L'analisi testa l'ipotesi "vera" di oscillazioni standard (LIV nulla) contro ipotesi di test che includono parametri LIV non nulli. Gli autori esaminano grafici bi-evento (tassi di eventi neutrino vs antineutrino) e contorni al 95% di livello di confidenza (C.L.) nei piani $(\theta_{23}, a_{\alpha\beta})$ e $(\delta_{CP}, a_{\alpha\beta})$.

Contributi Chiave e Risultati

1. Limitazioni Intrinseche di Singoli Esperimenti:

   • ESSnuSB: La configurazione a 540 km, pur essendo eccellente per vincolare la fase di $\delta_{CP}$ grazie all'amplificazione dell'asimmetria CP al secondo massimo di oscillazione, soffre di un significativo squilibrio statistico tra i canali neutrino e antineutrino. Ciò porta a persistenti soluzioni false di "ottante errato" per $\theta_{23}$ in presenza di LIV. La configurazione a 360 km offre vincoli statistici migliori ma non riesce comunque a risolvere completamente le degenerazioni per parametri diagonali come $a_{ee}$ e parametri fuori diagonale come $|a_{e\tau}|$.
   • T2HK: Nonostante operi al primo massimo di oscillazione con effetti di materia minori, l'alta statistica di T2HK e i suoi dati bilanciati neutrino/antineutrino permettono una migliore risoluzione delle degenerazioni di ottante per certi parametri (es. $|a_{\mu\tau}|$) rispetto a ESSnuSB da solo. Tuttavia, T2HK da solo ammette molteplici valori distinti di LIV per lo stesso angolo di miscelazione e fatica a risolvere le degenerazioni per $a_{ee}$ e $|a_{e\tau}|$.

2. Risoluzione Sinergica delle Degenerazioni:

   • Il risultato principale è che la combinazione di ESSnuSB con T2HK crea un potente framework indipendente dalla materia per rompere le degenerazioni indotte dalla LIV.
   • Risoluzione di $\theta_{23}$: La combinazione dei dati ad alta statistica del primo massimo di T2HK con la sensibilità al secondo massimo di ESSnuSB elimina efficacemente le soluzioni false di "ottante errato" per la maggior parte dei parametri LIV.
     • La combinazione ESSnuSB (540 km) + T2HK risolve con successo la degenerazione dell'ottante per $a_{ee}$, un caso in cui la combinazione 360 km + T2HK era fallita.
     • Per $|a_{e\tau}|$, entrambe le combinazioni riducono significativamente lo spazio dei parametri consentito, sebbene una piccola "isola" residua nell'ottante inferiore rimanga, indicando che questo parametro mantiene la degenerazione più persistente.
   • Risoluzione di $\delta_{CP}$: La combinazione fornisce vincoli stretti su $\delta_{CP}$, mantenendolo localizzato vicino al vero valore di massima violazione CP ($-90^\circ$). La sensibilità al secondo massimo di oscillazione di ESSnuSB è cruciale qui, poiché è più robusta contro la mimetizzazione della fase CP da parte della LIV rispetto al primo massimo.

3. Confronto con DUNE:

   • Gli autori confrontano questi risultati con il loro studio precedente su ESSnuSB + DUNE. Mentre la combinazione DUNE (sfruttando forti effetti di materia) fornisce vincoli forti sulle magnitudo della LIV, si dimostra che la combinazione ESSnuSB + T2HK è sufficiente per risolvere le degenerazioni di $\theta_{23}$ senza fare affidamento su grandi effetti di materia.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo afferma che la sinergia tra ESSnuSB e T2HK fornisce un meccanismo efficace per vincolare la fisica della LIV su scala Planck, specificamente per i parametri isotropi, CPT-odd. Gli autori sottolineano che la risoluzione di queste degenerazioni non richiede strettamente i profondi effetti di materia presenti in esperimenti a lungo raggio come DUNE (1300 km). Inveves, la complementarità tra le misurazioni ad alta statistica del primo massimo di oscillazione di T2HK e la sensibilità amplificata per la CP del secondo massimo di oscillazione di ESSnuSB è sufficiente per rompere le degenerazioni dei parametri per la maggior parte dei parametri LIV.

Lo studio conclude che, sebbene la combinazione ESSnuSB + T2HK sia leggermente meno efficace della combinazione ESSnuSB + DUNE nel vincolare l'intero spazio dei parametri LIV, essa offre una via distinta e indipendente dalla materia per stabilire i limiti sulla fisica della LIV e garantire la determinazione accurata dei parametri di oscillazione standard. Il lavoro evidenzia la necessità di approcci multi-baseline e multi-energia per distinguere la nuova fisica dalle ambiguità delle oscillazioni standard.