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
Open Access
Regular Article - Experimental Physics

DOI: 10.1007/JHEP05(2017)008

Cite this article as:
The KM3NeT collaboration, Adrián-Martínez, S., Ageron, M. et al. J. High Energ. Phys. (2017) 2017: 8. doi:10.1007/JHEP05(2017)008

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

Neutrino Detectors and Telescopes (experiments) 

Supplementary material

13130_2017_5971_MOESM1_ESM.gz (30 kb)
ESM 1(GZ 30 kb)

Copyright information

© The Author(s) 2017

Authors and Affiliations

  • The KM3NeT collaboration
  • S. Adrián-Martínez
    • 41
  • M. Ageron
    • 2
  • S. Aiello
    • 19
  • A. Albert
    • 42
  • F. Ameli
    • 23
  • E. G. Anassontzis
    • 30
  • M. Andre
    • 40
  • G. Androulakis
    • 28
  • M. Anghinolfi
    • 20
  • G. Anton
    • 7
  • M. Ardid
    • 41
  • T. Avgitas
    • 3
  • G. Barbarino
    • 21
    • 36
  • E. Barbarito
    • 17
  • B. Baret
    • 3
  • J. Barrios-Mart
    • 11
  • A. Belias
    • 28
  • E. Berbee
    • 6
  • A. van den Berg
    • 25
  • V. Bertin
    • 2
  • S. Beurthey
    • 2
  • V. van Beveren
    • 6
  • N. Beverini
    • 37
    • 22
  • S. Biagi
    • 15
  • A. Biagioni
    • 23
  • M. Billault
    • 2
  • M. Bondì
    • 19
  • R. Bormuth
    • 6
    • 26
  • B. Bouhadef
    • 22
  • G. Bourlis
    • 10
  • S. Bourret
    • 3
  • C. Boutonnet
    • 3
  • M. Bouwhuis
    • 6
  • C. Bozza
    • 38
  • R. Bruijn
    • 45
  • J. Brunner
    • 2
  • E. Buis
    • 33
  • R. Buompane
    • 21
    • 31
  • J. Busto
    • 2
  • G. Cacopardo
    • 15
  • L. Caillat
    • 2
  • M. Calamai
    • 22
  • D. Calvo
    • 11
  • A. Capone
    • 39
    • 23
  • L. Caramete
    • 24
  • S. Cecchini
    • 18
  • S. Celli
    • 39
    • 23
    • 9
  • C. Champion
    • 3
  • S. Cherubini
    • 15
    • 46
  • V. Chiarella
    • 16
  • L. Chiarelli
    • 18
    • 14
  • T. Chiarusi
    • 18
  • M. Circella
    • 17
  • L. Classen
    • 7
  • D. Cobas
    • 3
  • R. Cocimano
    • 15
  • J. A. B. Coelho
    • 3
  • A. Coleiro
    • 3
  • S. Colonges
    • 3
  • R. Coniglione
    • 15
  • M. Cordelli
    • 16
  • A. Cosquer
    • 2
  • P. Coyle
    • 2
  • A. Creusot
    • 3
  • G. Cuttone
    • 15
  • C. D’Amato
    • 15
  • A. D’Amico
    • 6
  • A. D’Onofrio
    • 21
    • 31
  • G. De Bonis
    • 23
  • C. De Sio
    • 38
  • I. Di Palma
    • 39
    • 23
  • A. F. Díaz
    • 47
  • C. Distefano
    • 15
  • C. Donzaud
    • 3
  • D. Dornic
    • 2
  • Q. Dorosti-Hasankiadeh
    • 25
  • E. Drakopoulou
    • 28
  • D. Drouhin
    • 42
  • M. Durocher
    • 15
    • 9
  • T. Eberl
    • 7
  • S. Eichie
    • 7
    • 8
  • D. van Eijk
    • 6
  • I. El Bojaddaini
    • 43
  • D. Elsaesser
    • 50
  • A. Enzenhöfer
    • 2
  • M. Favaro
    • 18
    • 14
  • P. Fermani
    • 23
  • G. Ferrara
    • 15
    • 46
  • G. Frascadore
    • 15
  • M. Furini
    • 18
  • L. A. Fusco
    • 18
    • 34
  • T. Gal
    • 7
  • S. Galatà
    • 3
  • F. Garufi
    • 21
    • 36
  • P. Gay
    • 3
    • 13
  • M. Gebyehu
    • 6
  • F. Giacomini
    • 18
    • 14
  • L. Gialanella
    • 21
    • 31
  • V. Giordano
    • 19
  • N. Gizani
    • 10
  • R. Gracia
    • 3
  • K. Graf
    • 7
  • T. Grégoire
    • 3
  • G. Grella
    • 38
  • A. Grmek
    • 15
  • M. Guerzoni
    • 18
  • R. Habel
    • 16
  • S. Hallmann
    • 7
  • H. van Haren
    • 29
  • S. Harissopulos
    • 28
  • T. Heid
    • 7
  • A. Heijboer
    • 6
  • E. Heine
    • 6
  • S. Henry
    • 2
  • J. J. Hernández-Rey
    • 11
  • M. Hevinga
    • 25
  • J. Hofestädt
    • 7
  • C. M. F. Hugon
    • 20
  • G. Illuminati
    • 11
  • C. W. James
    • 7
  • P. Jansweijerf
    • 6
  • M. Jongen
    • 6
  • M. de Jong
    • 6
  • M. Kadler
    • 50
  • O. Kalekin
    • 7
  • A. Kappes
    • 49
  • U. F. Katz
    • 7
  • P. Keller
    • 2
  • G. Kieft
    • 6
  • D. Kießling
    • 7
  • E. N. Koffeman
    • 6
  • P. Kooijman
    • 45
    • 51
  • A. Kouchner
    • 3
  • M. Kreter
    • 50
  • V. Kulikovskiy
    • 2
  • R. Lahmann
    • 7
  • P. Lamare
    • 2
  • G. Larosa
    • 15
  • A. Leisos
    • 10
  • F. Leone
    • 15
    • 46
  • E. Leonora
    • 19
  • M. Lindsey Clark
    • 3
  • A. Liolios
    • 4
  • C. D. Llorens Alvarez
    • 41
  • D. Lo Presti
    • 19
  • H. Löhner
    • 25
  • A. Lonardo
    • 23
  • M. Lotze
    • 11
  • S. Loucatos
    • 3
  • E. Maccioni
    • 37
    • 22
  • K. Mannheim
    • 50
  • M. Manzali
    • 18
    • 14
  • A. Margiotta
    • 18
    • 34
  • A. Margotti
    • 18
  • A. Marinelli
    • 37
    • 22
  • O. Maris
    • 24
  • C. Markou
    • 28
  • J. A. Martínez-Mora
    • 41
  • A. Martini
    • 16
  • F. Marzaioli
    • 21
    • 31
  • R. Mele
    • 21
    • 36
  • K. W. Melis
    • 6
  • T. Michael
    • 6
  • P. Migliozzi
    • 21
  • E. Migneco
    • 15
  • P. Mijakowski
    • 27
  • A. Miraglia
    • 15
  • C. M. Mollo
    • 21
  • M. Mongelli
    • 17
  • M. Morganti
    • 22
    • 1
  • A. Moussa
    • 43
  • P. Musico
    • 20
  • M. Musumeci
    • 15
  • S. Navas
    • 48
  • C. A. Nicolau
    • 23
  • I. Olcina
    • 11
  • C. Olivetto
    • 3
  • A. Orlando
    • 15
  • A. Orzelli
    • 20
  • G. Pancaldi
    • 18
  • A. Papaikonomou
    • 10
  • R. Papaleo
    • 15
  • G. E. Păvălas
    • 24
  • H. Peek
    • 6
  • G. Pellegrini
    • 18
  • C. Pellegrino
    • 18
    • 34
  • C. Perrina
    • 39
    • 23
  • M. Pfutzner
    • 6
  • P. Piattelli
    • 15
  • K. Pikounis
    • 28
  • M.-O. Pleinert
    • 7
  • G. E. Poma
    • 15
    • 46
  • V. Popa
    • 24
  • T. Pradier
    • 12
  • F. Pratolongo
    • 20
  • G. Pühlhofer
    • 5
  • S. Pulvirenti
    • 15
  • L. Quinn
    • 2
  • C. Racca
    • 42
  • F. Raffaelli
    • 22
  • N. Randazzo
    • 19
  • T. Rauch
    • 7
  • D. Real
    • 11
  • L. Resvanis
    • 30
  • J. Reubelt
    • 7
  • G. Riccobene
    • 15
  • C. Rossi
    • 20
  • A. Rovelli
    • 15
  • M. Saldaña
    • 41
  • I. Salvadori
    • 2
  • D. F. E. Samtleben
    • 6
    • 26
  • A. Sánchez García
    • 11
  • A. Sánchez Losa
    • 17
  • M. Sanguineti
    • 20
  • A. Santangelo
    • 5
  • D. Santonocito
    • 15
  • P. Sapienza
    • 15
  • F. Schimmel
    • 6
  • J. Schmelling
    • 6
  • J. Schnabel
    • 7
  • V. Sciacca
    • 15
  • M. Sedita
    • 15
  • T. Seitz
    • 7
  • I. Sgura
    • 17
  • F. Simeone
    • 23
  • V. Sipala
    • 19
  • B. Spisso
    • 38
    • 21
  • M. Spurio
    • 18
    • 34
  • G. Stavropoulos
    • 28
  • J. Steijger
    • 6
  • S. M. Stellacci
    • 38
  • D. Stransky
    • 7
  • M. Taiuti
    • 20
    • 35
  • Y. Tayalati
    • 43
    • 44
  • F. Terrasi
    • 21
    • 31
  • D. Tézier
    • 2
  • S. Theraube
    • 2
  • P. Timmer
    • 6
  • C. Tönnis
    • 11
  • L. Trasatti
    • 16
  • R. Travaglini
    • 18
  • A. Trovato
    • 15
  • A. Tsirigotis
    • 10
  • S. Tzamarias
    • 4
  • E. Tzamariudaki
    • 28
  • B. Vallage
    • 3
  • V. Van Elewyck
    • 3
  • J. Vermeulen
    • 6
  • F. Versari
    • 18
    • 34
  • P. Vicini
    • 23
  • S. Viola
    • 15
  • D. Vivolo
    • 21
    • 36
  • M. Volkert
    • 7
  • L. Wiggers
    • 6
  • J. Wilms
    • 8
  • E. de Wolf
    • 6
    • 45
  • K. Zachariadou
    • 32
  • S. Zani
    • 18
    • 14
  • J. D. Zornoza
    • 11
  • J. Zúñiga
    • 11
  1. 1.Accademia Navale di LivornoLivornoItaly
  2. 2.Aix-Marseille Université, CNRS/IN2P3, CPPM UMR 7346MarseilleFrance
  3. 3.APC, Université Paris Diderot, CNRS/IN2P3, CEA/IRFU, Observatoire de ParisParisFrance
  4. 4.Aristotle University ThessalonikiThessalonikiGreece
  5. 5.Eberhard Karls Universität Tübingen, Institut für Astronomie und AstrophysikTübingenGermany
  6. 6.FOM, NikhefAmsterdamNetherlands
  7. 7.Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen Centre for Astroparticle PhysicsErlangenGermany
  8. 8.Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Remeis SternwarteBambergGermany
  9. 9.Gran Sasso Science Institute, GSSIL’AquilaItaly
  10. 10.Hellenic Open University, School of Science/Technology, Natural SciencesPatraGreece
  11. 11.IFIC - Instituto de Física Corpuscular (CSIC - Universitat de València)PaternaSpain
  12. 12.IN2P3, IPHCStrasbourgFrance
  13. 13.IN2P3, LPCAubière CedexFrance
  14. 14.INFN, CNAFBolognaItaly
  15. 15.INFN, Laboratori Nazionali del SudCataniaItaly
  16. 16.INFN, LNFFrascatiItaly
  17. 17.INFN, Sezione di BariBariItaly
  18. 18.INFN, Sezione di BolognaBolognaItaly
  19. 19.INFN, Sezione di CataniaCataniaItaly
  20. 20.INFN, Sezione di GenovaGenovaItaly
  21. 21.INFN, Sezione di NapoliNapoliItaly
  22. 22.INFN, Sezione di PisaPisaItaly
  23. 23.INFN, Sezione di RomaRomaItaly
  24. 24.Institute of Space ScienceBucharestRomania
  25. 25.KVI-CART University of GroningenGroningenThe Netherlands
  26. 26.Leiden University, Leiden Institute of PhysicsLeidenNetherlands
  27. 27.National Centre for Nuclear ResearchWarsawPoland
  28. 28.NCSR Demokritos, Institute of Nuclear and Particle PhysicsAthensGreece
  29. 29.NIOZDen BurgNetherlands
  30. 30.Physics DepartmentN. and K. University of AthensAthensGreece
  31. 31.Seconda Università di Napoli, Dipartimento di Matematica e FisicaCasertaItaly
  32. 32.Technological Education Institute of PireausEgaleo - AthensGreece
  33. 33.TNO, Technical SciencesDelftThe Netherlands
  34. 34.Università di Bologna, Dipartimento di Fisica e AstronomiaBolognaItaly
  35. 35.Università di GenovaGenovaItaly
  36. 36.Università di Napoli “Federico II”, Dip. Scienze Fisiche “E. Pancini”NapoliItaly
  37. 37.Università di PisaDipartimento di FisicaPisaItaly
  38. 38.Università di Salerno e INFN Gruppo Collegato di Salerno, Dipartimento di FisicaFiscianoItaly
  39. 39.Università “Sapienza”, Dipartimento di Fisica, Piazzale Aldo Moro 2RomaItaly
  40. 40.Universitat Politècnica de Catalunya, Laboratori d’Aplicacions Bioacústiques, Centre Tecnològic de Vilanova i la GeltrúVilanova i la GeltrúSpain
  41. 41.Universitat Politècnica de València, Instituto de Investigación para la Gestión Integrada de las Zonas CosterasGandiaSpain
  42. 42.Université de Strasbourg, Université de Haute Alsace, GRPHE, 34ColmarFrance
  43. 43.University Mohammed I, Faculty of SciencesOujdaMorocco
  44. 44.University Mohammed V in Rabat, Faculty of SciencesRabatMorocco
  45. 45.University of Amsterdam, Institute of Physics/IHEFAmsterdamNetherlands
  46. 46.University of Catania, Dipartimento di Fisica ed Astronomia di CataniaCataniaItaly
  47. 47.University of Granada, Dept. of Computer Architecture and Technology/CITICGranadaSpain
  48. 48.University of Granada, Dpto. de Física Teórica y del Cosmos & C.A.F.P.E.GranadaSpain
  49. 49.University of Münster, Institut für KernphysikMünsterGermany
  50. 50.University WürzburgWürzburgGermany
  51. 51.Utrecht University, Department of Physics and AstronomyUtrechtThe Netherlands

Personalised recommendations