Prospects for beyond the Standard Model physics searches at the Deep Underground Neutrino Experiment

B. Abi , R. Acciarri , M.A. Acero , G. Adamov , D. Adams , M. Adinolfi , Z. Ahmad , J. Ahmed , T. Alion , S. Alonso Monsalve , C. Alt , J. Anderson , C. Andreopoulos , M.P. Andrews , F. Andrianala , S. Andringa , A. Ankowski , M. Antonova , S. Antusch , A. Aranda-Fernandez , A. Ariga , L.O. Arnold , M.A. Arroyave , J. Asaadi , A. Aurisano , V. Aushev , D. Autiero (1) , F. Azfar , H. Back , J.J. Back , C. Backhouse , P. Baesso , L. Bagby , R. Bajou (2) , S. Balasubramanian , P. Baldi , B. Bambah , F. Barao , G. Barenboim , G.J. Barker , W. Barkhouse , C. Barnes , G. Barr , J. Barranco Monarca , N. Barros , J.L. Barrow , A. Bashyal , V. Basque , F. Bay , J.L. Bazo Alba , J.F. Beacom , E. Bechetoille (1) , B. Behera , L. Bellantoni , G. Bellettini , V. Bellini , O. Beltramello , D. Belver , N. Benekos , F. Bento Neves , J. Berger , S. Berkman , P. Bernardini , R.M. Berner , H. Berns , S. Bertolucci , M. Betancourt , Y. Bezawada , M. Bhattacharjee , B. Bhuyan , S. Biagi , J. Bian , M. Biassoni , K. Biery , B. Bilki , M. Bishai , A. Bitadze , A. Blake , B. Blanco Siffert , F.D.M. Blaszczyk , G.C. Blazey , E. Blucher , J. Boissevain , S. Bolognesi (3) , T. Bolton , M. Bonesini , M. Bongrand (4) , F. Bonini , A. Booth , C. Booth , S. Bordoni , A. Borkum , T. Boschi , N. Bostan , P. Bour , S.B. Boyd , D. Boyden , J. Bracinik , D. Braga , D. Brailsford , A. Brandt , J. Bremer , C. Brew , E. Brianne , S.J. Brice , C. Brizzolari , C. Bromberg , G. Brooijmans , J. Brooke , A. Bross , G. Brunetti , N. Buchanan , H. Budd , D. Caiulo (1) , P. Calafiura , J. Calcutt , M. Calin , S. Calvez , E. Calvo , L. Camilleri , A. Caminata , M. Campanelli , D. Caratelli , G. Carini , B. Carlus (1) , P. Carniti , I. Caro Terrazas , H. Carranza , A. Castillo , C. Castromonte , C. Cattadori , F. Cavalier (4) , F. Cavanna , S. Centro , G. Cerati , A. Cervelli , A. Cervera Villanueva , M. Chalifour , C. Chang , E. Chardonnet (2) , A. Chatterjee , S. Chattopadhyay , J. Chaves , H. Chen , M. Chen , Y. Chen , D. Cherdack , C. Chi , S. Childress , A. Chiriacescu , K. Cho , S. Choubey , A. Christensen , D. Christian , G. Christodoulou , E. Church , P. Clarke , T.E. Coan , A.G. Cocco , J.A.B. Coelho (4) , E. Conley , J.M. Conrad , M. Convery , L. Corwin , P. Cotte (3) , L. Cremaldi , L. Cremonesi , J.I. Crespo-Anadón , E. Cristaldo , R. Cross , C. Cuesta , Y. Cui , D. Cussans , M. Dabrowski , H. da Motta , L. da Silva Peres , C. David , Q. David (1) , G.S. Davies , S. Davini , J. Dawson (2) , K. De , R.M. de Almeida , P. Debbins , I. de Bonis (5) , M.P. Decowski , A. de Gouvêa , P.C. de Holanda , I.L. de Icaza Astiz , A. Deisting , P. de Jong , A. Delbart (3) , D. Delepine , M. Delgado , A. Dell'Acqua , P. de Lurgio , J.R.T. de Mello Neto , D.M. Demuth , S. Dennis , C. Densham , G. Deptuch , A. De Roeck , V. de Romeri , J.J. de Vries , R. Dharmapalan , M. Dias , F. Diaz , J.S. Díaz , S. Di Domizio , L. Di Giulio , P. Ding , L. Di Noto , C. Distefano , R. Diurba , M. Diwan , Z. Djurcic , N. Dokania , M.J. Dolinski , L. Domine , D. Douglas , F. Drielsma , D. Duchesneau (5) , K. Duffy , P. Dunne , T. Durkin , H. Duyang , O. Dvornikov , D.A. Dwyer , A.S. Dyshkant , M. Eads , D. Edmunds , J. Eisch , S. Emery (3) , A. Ereditato , C.O. Escobar , L. Escudero Sanchez , J.J. Evans , E. Ewart , A.C. Ezeribe , K. Fahey , A. Falcone , C. Farnese , Y. Farzan , J. Felix , E. Fernandez-Martinez , P. Fernandez Menendez , F. Ferraro , L. Fields , A. Filkins , F. Filthaut , R.S. Fitzpatrick , W. Flanagan , B. Fleming , R. Flight , J. Fowler , W. Fox , J. Franc , K. Francis , D. Franco , J. Freeman , J. Freestone , J. Fried , A. Friedland , S. Fuess , I. Furic , A.P. Furmanski , A. Gago , H. Gallagher , A. Gallego-Ros , N. Gallice , V. Galymov (1) , E. Gamberini , T. Gamble , R. Gandhi , R. Gandrajula , S. Gao , D. Garcia-Gamez , M.Á. García-Peris , S. Gardiner , D. Gastler , G. Ge , B. Gelli , A. Gendotti , S. Gent , Z. Ghorbani-Moghaddam , D. Gibin , I. Gil-Botella , C. Girerd (1) , A.K. Giri , D. Gnani , O. Gogota , M. Gold , S. Gollapinni , K. Gollwitzer , R.A. Gomes , L.V. Gomez Bermeo , L.S. Gomez Fajardo , F. Gonnella , J.A. Gonzalez-Cuevas , M.C. Goodman , O. Goodwin , S. Goswami , C. Gotti , E. Goudzovski , C. Grace , M. Graham , E. Gramellini , R. Gran , E. Granados , A. Grant , C. Grant , D. Gratieri , P. Green , S. Green , L. Greenler , M. Greenwood , J. Greer , W.C. Griffith , M. Groh , J. Grudzinski , K. Grzelak , W. Gu , V. Guarino , R. Guenette , A. Guglielmi , B. Guo , K.K. Guthikonda , R. Gutierrez , P. Guzowski , M.M. Guzzo , S. Gwon , A. Habig , A. Hackenburg , H. Hadavand , R. Haenni , A. Hahn , J. Haigh , J. Haiston , T. Hamernik , P. Hamilton , J. Han , K. Harder , D.A. Harris , J. Hartnell , T. Hasegawa , R. Hatcher , E. Hazen , A. Heavey , K.M. Heeger , J. Heise , K. Hennessy , S. Henry , M.A. Hernandez Morquecho , K. Herner , L. Hertel , A.S. Hesam , J. Hewes , A. Higuera , T. Hill , S.J. Hillier , A. Himmel , J. Hoff , C. Hohl , A. Holin , E. Hoppe , G.A. Horton-Smith , M. Hostert , A. Hourlier , B. Howard , R. Howell , J. Huang , J. Huang , J. Hugon , G. Iles , N. Ilic , A.M. Iliescu , R. Illingworth , A. Ioannisian , R. Itay , A. Izmaylov , E. James , B. Jargowsky , F. Jediny , C. Jesùs-Valls , X. Ji , L. Jiang , S. Jiménez , A. Jipa , A. Joglekar , C. Johnson , R. Johnson , B. Jones , S. Jones , C.K. Jung , T. Junk , Y. Jwa , M. Kabirnezhad , A. Kaboth , I. Kadenko , F. Kamiya , G. Karagiorgi , A. Karcher , M. Karolak (3) , Y. Karyotakis (5) , S. Kasai , S.P. Kasetti , L. Kashur , N. Kazaryan , E. Kearns , P. Keener , K.J. Kelly , E. Kemp , W. Ketchum , S.H. Kettell , M. Khabibullin , A. Khotjantsev , A. Khvedelidze , D. Kim , B. King , B. Kirby , M. Kirby , J. Klein , K. Koehler , L.W. Koerner , S. Kohn , P.P. Koller , M. Kordosky , T. Kosc (1) , U. Kose , V.A. Kostelecký , K. Kothekar , F. Krennrich , I. Kreslo , Y. Kudenko , V.A. Kudryavtsev , S. Kulagin , J. Kumar , R. Kumar , C. Kuruppu , V. Kus , T. Kutter , A. Lambert , K. Lande , C.E. Lane , K. Lang , T. Langford , P. Lasorak , D. Last , C. Lastoria , A. Laundrie , A. Lawrence , I. Lazanu , R. Lazur , T. Le , J. Learned , P. Lebrun (1) , G. Lehmann Miotto , R. Lehnert , M.A. Leigui de Oliveira , M. Leitner , M. Leyton , L. Li , S. Li , S.W. Li , T. Li , Y. Li , H. Liao , C.S. Lin , S. Lin , A. Lister , B.R. Littlejohn , J. Liu , S. Lockwitz , T. Loew , M. Lokajicek , I. Lomidze , K. Long , K. Loo , D. Lorca , T. Lord , J.M. Losecco , W.C. Louis , K.B. Luk , X. Luo , N. Lurkin , T. Lux , V.P. Luzio , D. Macfarlane , A.A. Machado , P. Machado , C.T. Macias , J.R. Macier , A. Maddalena , P. Madigan , S. Magill , K. Mahn , A. Maio , J.A. Maloney , G. Mandrioli , J. Maneira , L. Manenti , S. Manly , A. Mann , K. Manolopoulos , M. Manrique Plata , A. Marchionni , W. Marciano , D. Marfatia , C. Mariani , J. Maricic , F. Marinho , A.D. Marino , M. Marshak , C. Marshall , J. Marshall , J. Marteau (1) , J. Martin-Albo , N. Martinez , D.A. Martinez Caicedo , S. Martynenko , K. Mason , A. Mastbaum , M. Masud , S. Matsuno , J. Matthews , C. Mauger , N. Mauri , K. Mavrokoridis , R. Mazza , A. Mazzacane , E. Mazzucato (3) , E. Mccluskey , N. Mcconkey , K.S. Mcfarland , C. Mcgrew , A. Mcnab , A. Mefodiev , P. Mehta , P. Melas , M. Mellinato , O. Mena , S. Menary , H. Mendez , A. Menegolli , G. Meng , M.D. Messier , W. Metcalf , M. Mewes , H. Meyer , T. Miao , G. Michna , T. Miedema , J. Migenda , R. Milincic , W. Miller , J. Mills , C. Milne , O. Mineev , O.G. Miranda , S. Miryala , C.S. Mishra , S.R. Mishra , A. Mislivec , D. Mladenov , I. Mocioiu , K. Moffat , N. Moggi , R. Mohanta , T.A. Mohayai , N. Mokhov , J. Molina , L. Molina Bueno , A. Montanari , C. Montanari , D. Montanari , L.M. Montano Zetina , J. Moon , M. Mooney , A. Moor , D. Moreno , B. Morgan , C. Morris , C. Mossey , E. Motuk , C.A. Moura , J. Mousseau , W. Mu , L. Mualem , J. Mueller , M. Muether , S. Mufson , F. Muheim , A. Muir , M. Mulhearn , H. Muramatsu , S. Murphy , J. Musser , J. Nachtman , S. Nagu , M. Nalbandyan , R. Nandakumar , D. Naples , S. Narita , D. Navas-Nicolás , N. Nayak , M. Nebot-Guinot , L. Necib , K. Negishi , J.K. Nelson , J. Nesbit , M. Nessi , D. Newbold , M. Newcomer , D. Newhart , R. Nichol , E. Niner , K. Nishimura , A. Norman , A. Norrick , R. Northrop , P. Novella , J.A. Nowak , M. Oberling , A. Olivares del Campo , A. Olivier , Y. Onel , Y. Onishchuk , J. Ott , L. Pagani , S. Pakvasa , O. Palamara , S. Palestini , J.M. Paley , M. Pallavicini , C. Palomares , E. Pantic , V. Paolone , V. Papadimitriou , R. Papaleo , A. Papanestis , S. Paramesvaran , J.C. Park , S. Parke , Z. Parsa , M. Parvu , S. Pascoli , L. Pasqualini , J. Pasternak , J. Pater , C. Patrick , L. Patrizii , R.B. Patterson , S.J. Patton , T. Patzak (2) , A. Paudel , B. Paulos , L. Paulucci , Z. Pavlovic , G. Pawloski , D. Payne , V. Pec , S.J.M. Peeters , Y. Penichot (3) , E. Pennacchio (1) , A. Penzo , O.L.G. Peres , J. Perry , D. Pershey , G. Pessina , G. Petrillo , C. Petta , R. Petti , F. Piastra , L. Pickering , F. Pietropaolo , J. Pillow , J. Pinzino , R. Plunkett , R. Poling , X. Pons , N. Poonthottathil , S. Pordes , M. Potekhin , R. Potenza , B.V.K.S. Potukuchi , J. Pozimski , M. Pozzato , S. Prakash , T. Prakash , S. Prince , G. Prior , D. Pugnere (1) , K. Qi , X. Qian , J.L. Raaf , R. Raboanary , V. Radeka , J. Rademacker , B. Radics , A. Rafique , E. Raguzin , M. Rai , M. Rajaoalisoa , I. Rakhno , H.T. Rakotondramanana , L. Rakotondravohitra , Y.A. Ramachers , R. Rameika , M.A. Ramirez Delgado , B. Ramson , A. Rappoldi , G. Raselli , P. Ratoff , S. Ravat , H. Razafinime , J.S. Real (6) , B. Rebel , D. Redondo , M. Reggiani-Guzzo , T. Rehak , J. Reichenbacher , S.D. Reitzner , A. Renshaw , S. Rescia , F. Resnati , A. Reynolds , G. Riccobene , L.C.J. Rice , K. Rielage , Y. Rigaut , D. Rivera , L. Rochester , M. Roda , P. Rodrigues , M.J. Rodriguez Alonso , J. Rodriguez Rondon , A.J. Roeth , H. Rogers , S. Rosauro-Alcaraz , M. Rossella , J. Rout , S. Roy , A. Rubbia , C. Rubbia , B. Russell , J. Russell , D. Ruterbories , R. Saakyan , S. Sacerdoti (2) , T. Safford , N. Sahu , P. Sala , N. Samios , M.C. Sanchez , D.A. Sanders , D. Sankey , S. Santana , M. Santos-Maldonado , N. Saoulidou , P. Sapienza , C. Sarasty , I. Sarcevic , G. Savage , V. Savinov , A. Scaramelli , A. Scarff , A. Scarpelli , T. Schaffer , H. Schellman , P. Schlabach , D. Schmitz , K. Scholberg , A. Schukraft , E. Segreto , J. Sensenig , I. Seong , A. Sergi , F. Sergiampietri , D. Sgalaberna , M.H. Shaevitz , S. Shafaq , M. Shamma , H.R. Sharma , R. Sharma , T. Shaw , C. Shepherd-Themistocleous , S. Shin , D. Shooltz , R. Shrock , L. Simard (4) , N. Simos , J. Sinclair , G. Sinev , J. Singh , J. Singh , V. Singh , R. Sipos , F.W. Sippach , G. Sirri , A. Sitraka , K. Siyeon , D. Smargianaki , A. Smith , A. Smith , E. Smith , P. Smith , J. Smolik , M. Smy , P. Snopok , M. Soares Nunes , H. Sobel , M. Soderberg , C.J. Solano Salinas , S. Söldner-Rembold , N. Solomey , V. Solovov , W.E. Sondheim , M. Sorel , J. Soto-Oton , A. Sousa , K. Soustruznik , F. Spagliardi , M. Spanu , J. Spitz , N.J.C. Spooner , K. Spurgeon , R. Staley , M. Stancari , L. Stanco , H.M. Steiner , J. Stewart , B. Stillwell , J. Stock , F. Stocker , D. Stocks , T. Stokes , M. Strait , T. Strauss , S. Striganov , A. Stuart , D. Summers , A. Surdo , V. Susic , L. Suter , C.M. Sutera , R. Svoboda , B. Szczerbinska , A.M. Szelc , R. Talaga , H.A. Tanaka , B. Tapia Oregui , A. Tapper , S. Tariq , E. Tatar , R. Tayloe , A.M. Teklu , M. Tenti , K. Terao , C.A. Ternes , F. Terranova , G. Testera , A. Thea , J.L. Thompson , C. Thorn , S.C. Timm , J. Todd , A. Tonazzo (2) , M. Torti , M. Tortola , F. Tortorici , D. Totani , M. Toups , C. Touramanis , J. Trevor , W.H. Trzaska , Y.-T. Tsai , Z. Tsamalaidze , K.V. Tsang , N. Tsverava , S. Tufanli , C. Tull , E. Tyley , M. Tzanov , M.A. Uchida , J. Urheim , T. Usher , M.R. Vagins , P. Vahle , G.A. Valdiviesso , E. Valencia , Z. Vallari , J.W.F. Valle , S. Vallecorsa , R. van Berg , R.G. van de Water , D. Vanegas Forero , F. Varanini , D. Vargas , G. Varner , J. Vasel , G. Vasseur (3) , K. Vaziri , S. Ventura , A. Verdugo , S. Vergani , M.A. Vermeulen , M. Verzocchi , H. Vieira de Souza , C. Vignoli , C. Vilela , B. Viren , T. Vrba , T. Wachala , A.V. Waldron , M. Wallbank , H. Wang , J. Wang , Y. Wang , Y. Wang , K. Warburton , D. Warner , M. Wascko , D. Waters , A. Watson , P. Weatherly , A. Weber , M. Weber , H. Wei , A. Weinstein , D. Wenman , M. Wetstein , M.R. While , A. White , L.H. Whitehead , D. Whittington , M.J. Wilking , C. Wilkinson , Z. Williams , F. Wilson , R.J. Wilson , J. Wolcott , T. Wongjirad , K. Wood , L. Wood , E. Worcester , M. Worcester , C. Wret , W. Wu , W. Wu , Y. Xiao , G. Yang , T. Yang , N. Yershov , K. Yonehara , T. Young , B. Yu , J. Yu , R. Zaki , J. Zalesak , L. Zambelli (5) , B. Zamorano , A. Zani , L. Zazueta , G.P. Zeller , J. Zennamo , K. Zeug , C. Zhang , M. Zhao , Y. Zhao , E. Zhivun , G. Zhu , E.D. Zimmerman , M. Zito (3) , S. Zucchelli , J. Zuklin , V. Zutshi , R. Zwaska

1 IP2I Lyon - Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
2 APC (UMR_7164) - AstroParticule et Cosmologie
3 IRFU - Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers
4 LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire
5 LAPP - Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules
6 LPSC - Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) will be a powerful tool for a variety of physics topics. The high-intensity proton beams provide a large neutrino flux, sampled by a near detector system consisting of a combination of capable precision detectors, and by the massive far detector system located deep underground. This configuration sets up DUNE as a machine for discovery, as it enables opportunities not only to perform precision neutrino measurements that may uncover deviations from the present three-flavor mixing paradigm, but also to discover new particles and unveil new interactions and symmetries beyond those predicted in the Standard Model (SM). Of the many potential beyond the Standard Model (BSM) topics DUNE will probe, this paper presents a selection of studies quantifying DUNE’s sensitivities to sterile neutrino mixing, heavy neutral leptons, non-standard interactions, CPT symmetry violation, Lorentz invariance violation, neutrino trident production, dark matter from both beam induced and cosmogenic sources, baryon number violation, and other new physics topics that complement those at high-energy colliders and significantly extend the present reach.

Mots clés: neutrino: mixing; neutrino: oscillation; neutrino: sterile; neutrino: flux; baryon number: violation; symmetry: violation; violation: Lorentz; invariance: Lorentz; p: beam; new physics: search for; new interaction; neutrino: detector; deep underground detector; near detector; far detector; new particle; dark matter; sensitivity; lepton: heavy; neutrino: heavy; CPT: conservation law; proposed experiment

Domaines: Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

B. Abi, R. Acciarri, M.A. Acero, G. Adamov, D. Adams, et al.. Prospects for beyond the Standard Model physics searches at the Deep Underground Neutrino Experiment. Eur.Phys.J.C, 2021, 81 (4), pp.322. ⟨10.1140/epjc/s10052-021-09007-w⟩. ⟨hal-02940011⟩