Journal of High Energy Physics (May 2017)

Intrinsic limits on resolutions in muon- and electron-neutrino charged-current events in the KM3NeT/ORCA detector

  • The KM3NeT collaboration,
  • S. Adrián-Martínez,
  • M. Ageron,
  • S. Aiello,
  • A. Albert,
  • F. Ameli,
  • E. G. Anassontzis,
  • M. Andre,
  • G. Androulakis,
  • M. Anghinolfi,
  • G. Anton,
  • M. Ardid,
  • T. Avgitas,
  • G. Barbarino,
  • E. Barbarito,
  • B. Baret,
  • J. Barrios-Mart,
  • A. Belias,
  • E. Berbee,
  • A. van den Berg,
  • V. Bertin,
  • S. Beurthey,
  • V. van Beveren,
  • N. Beverini,
  • S. Biagi,
  • A. Biagioni,
  • M. Billault,
  • M. Bondì,
  • R. Bormuth,
  • B. Bouhadef,
  • G. Bourlis,
  • S. Bourret,
  • C. Boutonnet,
  • M. Bouwhuis,
  • C. Bozza,
  • R. Bruijn,
  • J. Brunner,
  • E. Buis,
  • R. Buompane,
  • J. Busto,
  • G. Cacopardo,
  • L. Caillat,
  • M. Calamai,
  • D. Calvo,
  • A. Capone,
  • L. Caramete,
  • S. Cecchini,
  • S. Celli,
  • C. Champion,
  • S. Cherubini,
  • V. Chiarella,
  • L. Chiarelli,
  • T. Chiarusi,
  • M. Circella,
  • L. Classen,
  • D. Cobas,
  • R. Cocimano,
  • J. A. B. Coelho,
  • A. Coleiro,
  • S. Colonges,
  • R. Coniglione,
  • M. Cordelli,
  • A. Cosquer,
  • P. Coyle,
  • A. Creusot,
  • G. Cuttone,
  • C. D’Amato,
  • A. D’Amico,
  • A. D’Onofrio,
  • G. De Bonis,
  • C. De Sio,
  • I. Di Palma,
  • A. F. Díaz,
  • C. Distefano,
  • C. Donzaud,
  • D. Dornic,
  • Q. Dorosti-Hasankiadeh,
  • E. Drakopoulou,
  • D. Drouhin,
  • M. Durocher,
  • T. Eberl,
  • S. Eichie,
  • D. van Eijk,
  • I. El Bojaddaini,
  • D. Elsaesser,
  • A. Enzenhöfer,
  • M. Favaro,
  • P. Fermani,
  • G. Ferrara,
  • G. Frascadore,
  • M. Furini,
  • L. A. Fusco,
  • T. Gal,
  • S. Galatà,
  • F. Garufi,
  • P. Gay,
  • M. Gebyehu,
  • F. Giacomini,
  • L. Gialanella,
  • V. Giordano,
  • N. Gizani,
  • R. Gracia,
  • K. Graf,
  • T. Grégoire,
  • G. Grella,
  • A. Grmek,
  • M. Guerzoni,
  • R. Habel,
  • S. Hallmann,
  • H. van Haren,
  • S. Harissopulos,
  • T. Heid,
  • A. Heijboer,
  • E. Heine,
  • S. Henry,
  • J. J. Hernández-Rey,
  • M. Hevinga,
  • J. Hofestädt,
  • C. M. F. Hugon,
  • G. Illuminati,
  • C. W. James,
  • P. Jansweijerf,
  • M. Jongen,
  • M. de Jong,
  • M. Kadler,
  • O. Kalekin,
  • A. Kappes,
  • U. F. Katz,
  • P. Keller,
  • G. Kieft,
  • D. Kießling,
  • E. N. Koffeman,
  • P. Kooijman,
  • A. Kouchner,
  • M. Kreter,
  • V. Kulikovskiy,
  • R. Lahmann,
  • P. Lamare,
  • G. Larosa,
  • A. Leisos,
  • F. Leone,
  • E. Leonora,
  • M. Lindsey Clark,
  • A. Liolios,
  • C. D. Llorens Alvarez,
  • D. Lo Presti,
  • H. Löhner,
  • A. Lonardo,
  • M. Lotze,
  • S. Loucatos,
  • E. Maccioni,
  • K. Mannheim,
  • M. Manzali,
  • A. Margiotta,
  • A. Margotti,
  • A. Marinelli,
  • O. Maris,
  • C. Markou,
  • J. A. Martínez-Mora,
  • A. Martini,
  • F. Marzaioli,
  • R. Mele,
  • K. W. Melis,
  • T. Michael,
  • P. Migliozzi,
  • E. Migneco,
  • P. Mijakowski,
  • A. Miraglia,
  • C. M. Mollo,
  • M. Mongelli,
  • M. Morganti,
  • A. Moussa,
  • P. Musico,
  • M. Musumeci,
  • S. Navas,
  • C. A. Nicolau,
  • I. Olcina,
  • C. Olivetto,
  • A. Orlando,
  • A. Orzelli,
  • G. Pancaldi,
  • A. Papaikonomou,
  • R. Papaleo,
  • G. E. Păvălas,
  • H. Peek,
  • G. Pellegrini,
  • C. Pellegrino,
  • C. Perrina,
  • M. Pfutzner,
  • P. Piattelli,
  • K. Pikounis,
  • M.-O. Pleinert,
  • G. E. Poma,
  • V. Popa,
  • T. Pradier,
  • F. Pratolongo,
  • G. Pühlhofer,
  • S. Pulvirenti,
  • L. Quinn,
  • C. Racca,
  • F. Raffaelli,
  • N. Randazzo,
  • T. Rauch,
  • D. Real,
  • L. Resvanis,
  • J. Reubelt,
  • G. Riccobene,
  • C. Rossi,
  • A. Rovelli,
  • M. Saldaña,
  • I. Salvadori,
  • D. F. E. Samtleben,
  • A. Sánchez García,
  • A. Sánchez Losa,
  • M. Sanguineti,
  • A. Santangelo,
  • D. Santonocito,
  • P. Sapienza,
  • F. Schimmel,
  • J. Schmelling,
  • J. Schnabel,
  • V. Sciacca,
  • M. Sedita,
  • T. Seitz,
  • I. Sgura,
  • F. Simeone,
  • V. Sipala,
  • B. Spisso,
  • M. Spurio,
  • G. Stavropoulos,
  • J. Steijger,
  • S. M. Stellacci,
  • D. Stransky,
  • M. Taiuti,
  • Y. Tayalati,
  • F. Terrasi,
  • D. Tézier,
  • S. Theraube,
  • P. Timmer,
  • C. Tönnis,
  • L. Trasatti,
  • R. Travaglini,
  • A. Trovato,
  • A. Tsirigotis,
  • S. Tzamarias,
  • E. Tzamariudaki,
  • B. Vallage,
  • V. Van Elewyck,
  • J. Vermeulen,
  • F. Versari,
  • P. Vicini,
  • S. Viola,
  • D. Vivolo,
  • M. Volkert,
  • L. Wiggers,
  • J. Wilms,
  • E. de Wolf,
  • K. Zachariadou,
  • S. Zani,
  • J. D. Zornoza,
  • J. Zúñiga

DOI
https://doi.org/10.1007/JHEP05(2017)008
Journal volume & issue
Vol. 2017, no. 5
pp. 1 – 39

Abstract

Read online

Abstract Studying atmospheric neutrino oscillations in the few-GeV range with a multi-megaton detector promises to determine the neutrino mass hierarchy. This is the main science goal pursued by the future KM3NeT/ORCA water Cherenkov detector in the Mediterranean Sea. In this paper, the processes that limit the obtainable resolution in both energy and direction in charged-current neutrino events in the ORCA detector are investigated. These processes include the composition of the hadronic fragmentation products, the subsequent particle propagation and the photon-sampling fraction of the detector. GEANT simulations of neutrino interactions in seawater produced by GENIE are used to study the effects in the 1-20 GeV range. It is found that fluctuations in the hadronic cascade in conjunction with the variation of the inelasticity y are most detrimental to the resolutions. The effect of limited photon sampling in the detector is of significantly less importance. These results will therefore also be applicable to similar detectors/media, such as those in ice.

Keywords