Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment: DUNE Collaboration

Abi B.; Acciarri R.; Acero M. A.; Adamov G.; Adams D.; Adinolfi M.; Ahmad Z.; Ahmed J.; Alion T.; Monsalve S. A.; Alt C.; Anderson J.; Andreopoulos C.; Andrews M. P.; Andrianala F.; Andringa S.; Ankowski A.; Antonova M.; Antusch S.; Aranda-Fernandez A.; Ariga A.; Arnold L. O.; Arroyave M. A.; Asaadi J.; Aurisano A.; Aushev V.; Autiero D.; Azfar F.; Back H.; Back J. J.; Backhouse C.; Baesso P.; Bagby L.; Bajou R.; Balasubramanian S.; Baldi P.; Bambah B.; Barao F.; Barenboim G.; Barker G. J.; Barkhouse W.; Barnes C.; Barr G.; Monarca J. B.; Barros N.; Barrow J. L.; Bashyal A.; Basque V.; Bay F.; Alba J. L. B.; Beacom J. F.; Bechetoille E.; Behera B.; Bellantoni L.; Bellettini G.; Bellini V.; Beltramello O.; Belver D.; Benekos N.; Neves F. B.; Berger J.; Berkman S.; Bernardini P.; Berner R. M.; Berns H.; Bertolucci S.; Betancourt M.; Bezawada Y.; Bhattacharjee M.; Bhuyan B.; Biagi S.; Bian J.; Biassoni M.; Biery K.; Bilki B.; Bishai M.; Bitadze A.; Blake A.; Siffert B. B.; Blaszczyk F. D. M.; Blazey G. C.; Blucher E.; Boissevain J.; Bolognesi S.; Bolton T.; Bonesini M.; Bongrand M.; Bonini F.; Booth A.; Booth C.; Bordoni S.; Borkum A.; Boschi T.; Bostan N.; Bour P.; Boyd S. B.; Boyden D.; Bracinik J.; Braga D.; Brailsford D.; Brandt A.; Bremer J.; Brew C.; Brianne E.; Brice S. J.; Brizzolari C.; Bromberg C.; Brooijmans G.; Brooke J.; Bross A.; Brunetti G.; Buchanan N.; Budd H.; Caiulo D.; Calafiura P.; Calcutt J.; Calin M.; Calvez S.; Calvo E.; Camilleri L.; Caminata A.; Campanelli M.; Caratelli D.; Carini G.; Carlus B.; Carniti P.; Terrazas I. C.; Carranza H.; Castillo A.; Castromonte C.; Cattadori C.; Cavalier F.; Cavanna F.; Centro S.; Cerati G.; Cervelli A.; Villanueva A. C.; Chalifour M.; Chang C.; Chardonnet E.; Chatterjee A.; Chattopadhyay S.; Chaves J.; Chen H.; Chen M.; Chen Y.; Cherdack D.; Chi C.; Childress S.; Chiriacescu A.; Cho K.; Choubey S.; Christensen A.; Christian D.; Christodoulou G.; Church E.; Clarke P.; Coan T. E.; Cocco A. G.; Coelho J. A. B.; Conley E.; Conrad J. M.; Convery M.; Corwin L.; Cotte P.; Cremaldi L.; Cremonesi L.; Crespo-Anadon J. I.; Cristaldo E.; Cross R.; Cuesta C.; Cui Y.; Cussans D.; Dabrowski M.; Motta H.; Da Silva Peres L.; David C.; David Q.; Davies G. S.; Davini S.; Dawson J.; De K.; De Almeida R. M.; Debbins P.; De Bonis I.; Decowski M. P.; de Gouvea A.; De Holanda P. C.; De Icaza Astiz I. L.; Deisting A.; De Jong P.; Delbart A.; Delepine D.; Delgado M.; Dell'Acqua A.; De Lurgio P.; de Mello Neto J. R. T.; DeMuth D. M.; Dennis S.; Densham C.; Deptuch G.; De Roeck A.; De Romeri V.; De Vries J. J.; Dharmapalan R.; Dias M.; Diaz F.; Diaz J. S.; Domizio S. D.; Giulio L. D.; Ding P.; Noto L. D.; Distefano C.; Diurba R.; Diwan M.; Djurcic Z.; Dokania N.; Dolinski M. J.; Domine L.; Douglas D.; Drielsma F.; Duchesneau D.; Duffy K.; Dunne P.; Durkin T.; Duyang H.; Dvornikov O.; Dwyer D. A.; Dyshkant A. S.; Eads M.; Edmunds D.; Eisch J.; Emery S.; Ereditato A.; Escobar C. O.; Sanchez L. E.; Evans J. J.; Ewart E.; Ezeribe A. C.; Fahey K.; Falcone A.; Farnese C.; Farzan Y.; Felix J.; Fernandez-Martinez E.; Menendez P. F.; Ferraro F.; Fields L.; Filkins A.; Filthaut F.; Fitzpatrick R. S.; Flanagan W.; Fleming B.; Flight R.; Fowler J.; Fox W.; Franc J.; Francis K.; Franco D.; Freeman J.; Freestone J.; Fried J.; Friedland A.; Fuess S.; Furic I.; Furmanski A. P.; Gago A.; Gallagher H.; Gallego-Ros A.; Gallice N.; Galymov V.; Gamberini E.; Gamble T.; Gandhi R.; Gandrajula R.; Gao S.; Garcia-Gamez D.; Garcia-Peris M. A.; Gardiner S.; Gastler D.; Ge G.; Gelli B.; Gendotti A.; Gent S.; Ghorbani-Moghaddam Z.; Gibin D.; Gil-Botella I.; Girerd C.; Giri A. K.; Gnani D.; Gogota O.; Gold M.; Gollapinni S.; Gollwitzer K.; Gomes R. A.; Bermeo L. V. G.; Fajardo L. S. G.; Gonnella F.; Gonzalez-Cuevas J. A.; Goodman M. C.; Goodwin O.; Goswami S.; Gotti C.; Goudzovski E.; Grace C.; Graham M.; Gramellini E.; Gran R.; Granados E.; Grant A.; Grant C.; Gratieri D.; Green P.; Green S.; Greenler L.; Greenwood M.; Greer J.; Griffith W. C.; Groh M.; Grudzinski J.; Grzelak K.; Gu W.; Guarino V.; Guenette R.; Guglielmi A.; Guo B.; Guthikonda K. K.; Gutierrez R.; Guzowski P.; Guzzo M. M.; Gwon S.; Habig A.; Hackenburg A.; Hadavand H.; Haenni R.; Hahn A.; Haigh J.; Haiston J.; Hamernik T.; Hamilton P.; Han J.; Harder K.; Harris D. A.; Hartnell J.; Hasegawa T.; Hatcher R.; Hazen E.; Heavey A.; Heeger K. M.; Heise J.; Hennessy K.; Henry S.; Morquecho M. A. H.; Herner K.; Hertel L.; Hesam A. S.; Hewes J.; Higuera A.; Hill T.; Hillier S. J.; Himmel A.; Hoff J.; Hohl C.; Holin A.; Hoppe E.; Horton-Smith G. A.; Hostert M.; Hourlier A.; Howard B.; Howell R.; Huang J.; Huang J.; Hugon J.; Iles G.; Ilic N.; Iliescu A. M.; Illingworth R.; Ioannisian A.; Itay R.; Izmaylov A.; James E.; Jargowsky B.; Jediny F.; Jesus-Valls C.; Ji X.; Jiang L.; Jimenez S.; Jipa A.; Joglekar A.; Johnson C.; Johnson R.; Jones B.; Jones S.; Jung C. K.; Junk T.; Jwa Y.; Kabirnezhad M.; Kaboth A.; Kadenko I.; Kamiya F.; Karagiorgi G.; Karcher A.; Karolak M.; Karyotakis Y.; Kasai S.; Kasetti S. P.; Kashur L.; Kazaryan N.; Kearns E.; Keener P.; Kelly K. J.; Kemp E.; Ketchum W.; Kettell S. H.; Khabibullin M.; Khotjantsev A.; Khvedelidze A.; Kim D.; King B.; Kirby B.; Kirby M.; Klein J.; Koehler K.; Koerner L. W.; Kohn S.; Koller P. P.; Kordosky M.; Kosc T.; Kose U.; Kostelecky V. A.; Kothekar K.; Krennrich F.; Kreslo I.; Kudenko Y.; Kudryavtsev V. A.; Kulagin S.; Kumar J.; Kumar R.; Kuruppu C.; Kus V.; Kutter T.; Lambert A.; Lande K.; Lane C. E.; Lang K.; Langford T.; Lasorak P.; Last D.; Lastoria C.; Laundrie A.; Lawrence A.; Lazanu I.; LaZur R.; Le T.; Learned J.; LeBrun P.; Miotto G. L.; Lehnert R.; de Oliveira M. A. L.; Leitner M.; Leyton M.; Li L.; Li S.; Li S. W.; Li T.; Li Y.; Liao H.; Lin C. S.; Lin S.; Lister A.; Littlejohn B. R.; Liu J.; Lockwitz S.; Loew T.; Lokajicek M.; Lomidze I.; Long K.; Loo K.; Lorca D.; Lord T.; LoSecco J. M.; Louis W. C.; Luk K. B.; Luo X.; Lurkin N.; Lux T.; Luzio V. P.; MacFarland D.; Machado A. A.; Machado P.; Macias C. T.; Macier J. R.; Maddalena A.; Madigan P.; Magill S.; Mahn K.; Maio A.; Maloney J. A.; Mandrioli G.; Maneira J.; Manenti L.; Manly S.; Mann A.; Manolopoulos K.; Plata M. M.; Marchionni A.; Marciano W.; Marfatia D.; Mariani C.; Maricic J.; Marinho F.; Marino A. D.; Marshak M.; Marshall C.; Marshall J.; Marteau J.; Martin-Albo J.; Martinez N.; Caicedo D. A. M.; Martynenko S.; Mason K.; Mastbaum A.; Masud M.; Matsuno S.; Matthews J.; Mauger C.; Mauri N.; Mavrokoridis K.; Mazza R.; Mazzacane A.; Mazzucato E.; McCluskey E.; McConkey N.; McFarland K. S.; McGrew C.; McNab A.; Mefodiev A.; Mehta P.; Melas P.; Mellinato M.; Mena O.; Menary S.; Mendez H.; Menegolli A.; Meng G.; Messier M. D.; Metcalf W.; Mewes M.; Meyer H.; Miao T.; Michna G.; Miedema T.; Migenda J.; Milincic R.; Miller W.; Mills J.; Milne C.; Mineev O.; Miranda O. G.; Miryala S.; Mishra C. S.; Mishra S. R.; Mislivec A.; Mladenov D.; Mocioiu I.; Moffat K.; Moggi N.; Mohanta R.; Mohayai T. A.; Mokhov N.; Molina J.; Bueno L. M.; Montanari A.; Montanari C.; Montanari D.; Zetina L. M. M.; Moon J.; Mooney M.; Moor A.; Moreno D.; Morgan B.; Morris C.; Mossey C.; Motuk E.; Moura C. A.; Mousseau J.; Mu W.; Mualem L.; Mueller J.; Muether M.; Mufson S.; Muheim F.; Muir A.; Mulhearn M.; Muramatsu H.; Murphy S.; Musser J.; Nachtman J.; Nagu S.; Nalbandyan M.; Nandakumar R.; Naples D.; Narita S.; Navas-Nicolas D.; Nayak N.; Nebot-Guinot M.; Necib L.; Negishi K.; Nelson J. K.; Nesbit J.; Nessi M.; Newbold D.; Newcomer M.; Newhart D.; Nichol R.; Niner E.; Nishimura K.; Norman A.; Norrick A.; Northrop R.; Novella P.; Nowak J. A.; Oberling M.; Campo A. O. D.; Olivier A.; Onel Y.; Onishchuk Y.; Ott J.; Pagani L.; Pakvasa S.; Palamara O.; Palestini S.; Paley J. M.; Pallavicini M.; Palomares C.; Pantic E.; Paolone V.; Papadimitriou V.; Papaleo R.; Papanestis A.; Paramesvaran S.; Parke S.; Parsa Z.; Parvu M.; Pascoli S.; Pasqualini L.; Pasternak J.; Pater J.; Patrick C.; Patrizii L.; Patterson R. B.; Patton S. J.; Patzak T.; Paudel A.; Paulos B.; Paulucci L.; Pavlovic Z.; Pawloski G.; Payne D.; Pec V.; Peeters S. J. M.; Penichot Y.; Pennacchio E.; Penzo A.; Peres O. L. G.; Perry J.; Pershey D.; Pessina G.; Petrillo G.; Petta C.; Petti R.; Piastra F.; Pickering L.; Pietropaolo F.; Pillow J.; Pinzino J.; Plunkett R.; Poling R.; Pons X.; Poonthottathil N.; Pordes S.; Potekhin M.; Potenza R.; Potukuchi B. V. K. S.; Pozimski J.; Pozzato M.; Prakash S.; Prakash T.; Prince S.; Prior G.; Pugnere D.; Qi K.; Qian X.; Raaf J. L.; Raboanary R.; Radeka V.; Rademacker J.; Radics B.; Rafique A.; Raguzin E.; Rai M.; Rajaoalisoa M.; Rakhno I.; Rakotondramanana H. T.; Rakotondravohitra L.; Ramachers Y. A.; Rameika R.; Delgado M. A. R.; Ramson B.; Rappoldi A.; Raselli G.; Ratoff P.; Ravat S.; Razafinime H.; Real J. S.; Rebel B.; Redondo D.; Reggiani-Guzzo M.; Rehak T.; Reichenbacher J.; Reitzner S. D.; Renshaw A.; Rescia S.; Resnati F.; Reynolds A.; Riccobene G.; Rice L. C. J.; Rielage K.; Rigaut Y.; Rivera D.; Rochester L.; Roda M.; Rodrigues P.; Alonso M. J. R.; Rondon J. R.; Roeth A. J.; Rogers H.; Rosauro-Alcaraz S.; Rossella M.; Rout J.; Roy S.; Rubbia A.; Rubbia C.; Russell B.; Russell J.; Ruterbories D.; Saakyan R.; Sacerdoti S.; Safford T.; Sahu N.; Sala P.; Samios N.; Sanchez M. C.; Sanders D. A.; Sankey D.; Santana S.; Santos-Maldonado M.; Saoulidou N.; Sapienza P.; Sarasty C.; Sarcevic I.; Savage G.; Savinov V.; Scaramelli A.; Scarff A.; Scarpelli A.; Schaffer T.; Schellman H.; Schlabach P.; Schmitz D.; Scholberg K.; Schukraft A.; Segreto E.; Sensenig J.; Seong I.; Sergi A.; Sergiampietri F.; Sgalaberna D.; Shaevitz M. H.; Shafaq S.; Shamma M.; Sharma H. R.; Sharma R.; Shaw T.; Shepherd-Themistocleous C.; Shin S.; Shooltz D.; Shrock R.; Simard L.; Simos N.; Sinclair J.; Sinev G.; Singh J.; Singh J.; Singh V.; Sipos R.; Sippach F. W.; Sirri G.; Sitraka A.; Siyeon K.; Smargianaki D.; Smith A.; Smith A.; Smith E.; Smith P.; Smolik J.; Smy M.; Snopok P.; Nunes M. S.; Sobel H.; Soderberg M.; Salinas C. J. S.; Soldner-Rembold S.; Solomey N.; Solovov V.; Sondheim W. E.; Sorel M.; Soto-Oton J.; Sousa A.; Soustruznik K.; Spagliardi F.; Spanu M.; Spitz J.; Spooner N. J. C.; Spurgeon K.; Staley R.; Stancari M.; Stanco L.; Steiner H. M.; Stewart J.; Stillwell B.; Stock J.; Stocker F.; Stokes T.; Strait M.; Strauss T.; Striganov S.; Stuart A.; Summers D.; Surdo A.; Susic V.; Suter L.; Sutera C. M.; Svoboda R.; Szczerbinska B.; Szelc A. M.; Talaga R.; Tanaka H. A.; Oregui B. T.; Tapper A.; Tariq S.; Tatar E.; Tayloe R.; Teklu A. M.; Tenti M.; Terao K.; Ternes C. A.; Terranova F.; Testera G.; Thea A.; Thompson J. L.; Thorn C.; Timm S. C.; Tonazzo A.; Torti M.; Tortola M.; Tortorici F.; Totani D.; Toups M.; Touramanis C.; Trevor J.; Trzaska W. H.; Tsai Y. T.; Tsamalaidze Z.; Tsang K. V.; Tsverava N.; Tufanli S.; Tull C.; Tyley E.; Tzanov M.; Uchida M. A.; Urheim J.; Usher T.; Vagins M. R.; Vahle P.; Valdiviesso G. A.; Valencia E.; Vallari Z.; Valle J. W. F.; Vallecorsa S.; Van Berg R.; Van de Water R. G.; Forero D. V.; Varanini F.; Vargas D.; Varner G.; Vasel J.; Vasseur G.; Vaziri K.; Ventura S.; Verdugo A.; Vergani S.; Vermeulen M. A.; Verzocchi M.; de Souza H. V.; Vignoli C.; Vilela C.; Viren B.; Vrba T.; Wachala T.; Waldron A. V.; Wallbank M.; Wang H.; Wang J.; Wang Y.; Wang Y.; Warburton K.; Warner D.; Wascko M.; Waters D.; Watson A.; Weatherly P.; Weber A.; Weber M.; Wei H.; Weinstein A.; Wenman D.; Wetstein M.; While M. R.; White A.; Whitehead L. H.; Whittington D.; Wilking M. J.; Wilkinson C.; Williams Z.; Wilson F.; Wilson R. J.; Wolcott J.; Wongjirad T.; Wood K.; Wood L.; Worcester E.; Worcester M.; Wret C.; Wu W.; Wu W.; Xiao Y.; Yang G.; Yang T.; Yershov N.; Yonehara K.; Young T.; Yu B.; Yu J.; Zaki R.; Zalesak J.; Zambelli L.; Zamorano B.; Zani A.; Zazueta L.; Zeller G. P.; Zennamo J.; Zeug K.; Zhang C.; Zhao M.; Zhivun E.; Zhu G.; Zimmerman E. D.; Zito M.; Zucchelli S.; Zuklin J.; Zutshi V.; Zwaska R.

doi:10.1140/epjc/s10052-020-08456-z

The sensitivity of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) to neutrino oscillation is determined, based on a full simulation, reconstruction, and event selection of the far detector and a full simulation and parameterized analysis of the near detector. Detailed uncertainties due to the flux prediction, neutrino interaction model, and detector effects are included. DUNE will resolve the neutrino mass ordering to a precision of 5σ, for all δCP values, after 2 years of running with the nominal detector design and beam configuration. It has the potential to observe charge-parity violation in the neutrino sector to a precision of 3σ (5σ) after an exposure of 5 (10) years, for 50% of all δCP values. It will also make precise measurements of other parameters governing long-baseline neutrino oscillation, and after an exposure of 15 years will achieve a similar sensitivity to sin 22 θ13 to current reactor experiments.