HEP Physics Opportunities Using Reactor Antineutrinos : A Snowmass 2021 White Paper Submission

Nuclear reactors are uniquely powerful, abundant, and flavor-pure sources of antineutrinos that continue to play a vital role in the US neutrino physics program. The US reactor antineutrino physics community is a diverse interest group encompassing many detection technologies and many particle physics topics, including Standard Model and short-baseline oscillations, BSM physics searches, and reactor flux and spectrum modelling. The community’s aims offer strong complimentary with numerous aspects of the wider US neutrino program and have direct relevance to most of the topical sub-groups composing the Snowmass 2021 Neutrino Frontier. Reactor neutrino experiments also have a direct societal impact and have become a strong workforce and technology development pipeline for DOE National Laboratories and universities. This white paper, prepared as a submission to the Snowmass 2021 community organizing exercise, will survey the state of the reactor antineutrino physics field and summarize the ways in which current and future reactor antineutrino experiments can play a critical role in advancing the field of particle physics in the next decade. As it is directed towards the Snowmass 2021 Neutrino Frontier, Sections 4 through 9 are organized around specific Topical Groups within that Frontier, with the relevant Topical Group specified in each Section’s title. Finally, to enable quick reference to the document’s main themes, two to four ‘Key Takeaways’ are provided at the beginning of each Section. ar X iv :2 20 3. 07 21 4v 1 [ he pex ] 1 4 M ar 2 02 2 O. A. Akindele,1 J. M. Berryman,2, 3 N. S. Bowden,1 R. Carr,4 A. J. Conant,5 P. Huber,6 T. J. Langford,7 J.M. Link,6 B. R. Littlejohn,8 G. Fernandez-Moroni,9, 10 J. P. Ochoa-Ricoux,11 C. Roca,1 S. Schoppmann,12, 3 L. Strigari,13 J. Xu,1 C. Zhang,14 and X. Zhang1 (White Paper Editors) C. Awe,15, 16 P.S. Barbeau,15, 16 A. Haghighat,6, 17 S. C. Li,6 J.M. Link,6 V. Mascolino,17 T. Subedi,6 and K. Walkup6 (The CHANDLER Collaboration) P. S. Barbeau,15, 16 E. P. Bernard,1 N. S. Bowden,1 I. Jovanovic,18 J. W. Kingston,19, 1 E. Mizrachi,20, 1 E. Pantic,19 T. J. Pershing,1 S. V. Pereverzev,1 C. G. Prior,15, 16 R. Smith,21 J. Xu,1 and A. Bernstein1 (The CHILLAX development team) A. Aguilar-Arevalo,22 N. Avalos,23 J. Bernal,24 X. Bertou,23 C. Bonifazi,25, 26 G. Cancelo,9 V. G. P. B. de Carvalho,25 B. A. Cervantes-Vergara,22 C. Chavez,24 J. C. D’Olivo,22 J. M. De Egea,24 J. C. dos Anjos,27 J. Estrada,9 A. R. Fernandez Neto,28 G. Fernandez-Moroni,9, 10 A. Foguel,25 R. Ford,9 J. Gasanego,29 J. Gonzalez-Cuevas,24 A. Haghighat,6, 17 S. Hernandez,9 F. Izraelevitch,29 B. Kilminster,30 K. Kuk,9 P. Lemos,25 H. P. Lima Jr,27 M. Makler,27, 26 F. Marinho,31 K. Maslova,25 L. H. Mendes,25 J. Molina,24 M. M. Montero,22 P. Mota,27 I. Nasteva,25 A.C. Oliveira,25 E. Paolini,10 L. Paulucci,32 D. Rodrigues,33 C. Romero,24 Y. Sarkis,22 M. S. Haro,23 A. Soto,10 D. Stalder,24 J. Tiffenberg,9 C. Torres,24 and P. Z. Ventura25 (The CONNIE Collaboration) A. Bonhomme,34 C. Buck,34 J. Hakenmüller,34 M. Lindner,34 W. Maneschg,34 E. Sanchez Garcia,34 and T. Rink34 (on behalf of The CONUS Collaboration) F. P. An,35 W. D. Bai,36 A. B. Balantekin,37 M. Bishai,14 S. Blyth,38 G. F. Cao,39 J. Cao,39 J. F. Chang,39 Y. Chang,40 H. S. Chen,39 H. Y. Chen,41 S. M. Chen,41 Y. Chen,42, 36 Y. X. Chen,43 J. Cheng,39 Z. K. Cheng,36 J. J. Cherwinka,37 M. C. Chu,44 J. P. Cummings,45 O. Dalager,11 F. S. Deng,46 Y. Y. Ding,39 M. V. Diwan,14 T. Dohnal,47 D. Dolzhikov,48 J. Dove,49 D. A. Dwyer,50 J. P. Gallo,8 M. Gonchar,48 G. H. Gong,41 H. Gong,41 W. Q. Gu,14 J. Y. Guo,36 L. Guo,41 X. H. Guo,51 Y. H. Guo,52 Z. Guo,41 R. W. Hackenburg,14 A. Haghighat,6, 17 S. Hans,14, ∗ M. He,39 K. M. Heeger,7 Y. K. Heng,39 Y. K. Hor,36 Y. B. Hsiung,38 B. Z. Hu,38 J. R. Hu,39 T. Hu,39 Z. J. Hu,36 H. X. Huang,53 J. H. Huang,39 X. T. Huang,54 Y. B. Huang,55 P. Huber,6 D. E. Jaffe,14 K. L. Jen,56 X. L. Ji,39 X. P. Ji,14 D. Jones,57 L. Kang,58 S. H. Kettell,14 S. Kohn,21 M. Kramer,50, 21 T. J. Langford,7 J. Lee,50 J. H. C. Lee,59 R. T. Lei,58 R. Leitner,47 J. K. C. Leung,59 F. Li,39 H. L. Li,39 J. J. Li,41 Q. J. Li,39 R. H. Li,39 S. Li,58 S. C. Li,6 W. D. Li,39 X. N. Li,39 X. Q. Li,60 Y. F. Li,39 Z. B. Li,36 H. Liang,46 C. J. Lin,50 G. L. Lin,56 S. Lin,58 J. J. Ling,36 J. M. Link,6 L. Littenberg,14 B. R. Littlejohn,8 J. C. Liu,39 J. L. Liu,61 J. X. Liu,39 C. Lu,62 H. Q. Lu,39 K. B. Luk,21, 50 B. Z. Ma,54 X. B. Ma,43 X. Y. Ma,39 Y. Q. Ma,39 R. C. Mandujano,11 C. Marshall,50 K. T. McDonald,62 R. D. McKeown,63, 64 Y. Meng,61 J. Napolitano,57 D. Naumov,48 E. Naumova,48 T. M. T. Nguyen,56 J. P. Ochoa-Ricoux,11 A. Olshevskiy,48 H.-R. Pan,38 J. Park,6 S. Patton,50 J. C. Peng,49 C. S. J. Pun,59 F. Z. Qi,39 M. Qi,65 X. Qian,14 N. Raper,36 J. Ren,53 C. Morales Reveco,11 R. Rosero,14 B. Roskovec,11 X. C. Ruan,53 J. L. Sun,66 T. Tmej,47 K. Treskov,48 W.-H. Tse,44 C. E. Tull,50 B. Viren,14 V. Vorobel,47 C. H. Wang,40 J. Wang,36 M. Wang,54 N. Y. Wang,51 R. G. Wang,39 W. Wang,36, 64 X. Wang,67 Y. Wang,65 Y. F. Wang,39 Z. Wang,39 Z. Wang,41 Z. M. Wang,39 H. Y. Wei,14 L. H. Wei,39 L. J. Wen,39 K. Whisnant,68 C. G. White,8 H. L. H. Wong,21, 50 E. Worcester,14 D. R. Wu,39 Q. Wu,54 W. J. Wu,39 D. M. Xia,69 Z. Q. Xie,39 Z. Z. Xing,39 H. K. Xu,39 J. L. Xu,39 T. Xu,41 T. Xue,41 C. G. Yang,39 L. Yang,58 Y. Z. Yang,41 H. F. Yao,39 M. Ye,39 M. Yeh,14 B. L. Young,68 H. Z. Yu,36 Z. Y. Yu,39 B. B. Yue,36 V. Zavadskyi,48 S. Zeng,39 Y. Zeng,36 L. Zhan,39 C. Zhang,14 F. Y. Zhang,61 H. H. Zhang,36 J. L. Zhang,65 J. W. Zhang,39 Q. M. Zhang,52 S. Q. Zhang,36 X. T. Zhang,39 Y. M. Zhang,36 Y. X. Zhang,66 Y. Y. Zhang,61 Z. J. Zhang,58 Z. P. Zhang,46 Z. Y. Zhang,39 J. Zhao,39 R. Z. Zhao,39 L. Zhou,39 H. L. Zhuang,39 and J. H. Zou39 (The Daya Bay Collaboration) T. Abrahão,70, 71 H. Almazan,72 J.C. dos Anjos,70 S. Appel,73 J.C. Barriere,74 I. Bekman,75 T.J.C. Bezerra,76 L. Bezrukov,77 E. Blucher,78 T. Brugière,79 C. Buck,72 J. Busenitz,80 A. Cabrera,71, 81, 82 M. Cerrada,83 E. Chauveau,84 P. Chimenti,70 O. Corpace,74 J.V. Dawson,71 Z. Djurcic,85 A. Etenko,86 H. Furuta,87 I. Gil-Botella,83 A. Givaudan,71 H. Gomez,71, 74 L.F.G. Gonzalez,88 M.C. Goodman,85 T. Hara,89 J. Haser,72 D. Hellwig,75 A. Hourlier,71 M. Ishitsuka,90 J. Jochum,91 C. Jollet,84 K. Kale,84, 79 M. Kaneda,90 M. Karakac,71 T. Kawasaki,92 E. Kemp,88 D. Kryn,71 M. Kuze,90 T. Lachenmaier,91 C.E. Lane,93 T. Lasserre,74, 71 C. Lastoria,83 D. Lhuillier,74 H.P. Lima Jr,70 M. Lindner,72 J.M. López-Castaño,83 J.M. LoSecco,94 B. Lubsandorzhiev,77 J. Maeda,95, 89 C. Mariani,96 J. Maricic,93 J. Martino,76 T. Matsubara,95 G. Mention,74 A. Meregaglia,84 T. Miletic,93 R. Milincic,93 A. Minotti,74 D. Navas-Nicolás,71, 83, 82 P. Novella,83 L. Oberauer,73 M. Obolensky,71 A. Onillon,74 A. Oralbaev,86 C. Palomares,83 I.M. Pepe,70 G. Pronost,76 J. Reichenbacher,80 B. Reinhold,72 S. Schönert,73 S. Schoppmann,72 L. Scola,74 R. Sharankova,90 V. Sibille,74 V. Sinev,77 M. Skorokhvatov,86 P. Soldin,75 A. Stahl,75 I. Stancu,80 L.F.F. Stokes,91 F. Suekane,87, 71 S. Sukhotin,86 T. Sumiyoshi,95 Y. Sun,80 C. Veyssiere,74 B. Viaud,76 M. Vivier,74 S. Wagner,71, 70 C. Wiebusch,75 G. Yang,85 and F. Yermia76 (The Double Chooz Collaboration) T. Anderson,97 E. Anderssen,12 M. Askins,12, 3 A. J. Bacon,98 Z. Bagdasarian,12, 3 A. Baldoni,97 N. Barros,99, 100 L. Bartoszek,101 A. Bat,102 M. Bergevin,1 A. Bernstein,1 E. Blucher,78 J. Boissevain,101 R. Bonventre,12 D. Brown,12 E. J. Callaghan,12, 3 D. F. Cowen,97 S. Dazeley,1 M. Diwan,14 K. Frankiewicz,103 C. Grant,103 T. Kaptanoglu,12, 3 J.R. Klein,98 C. Kraus,104, 105 T. Kroupa,98 B. Land,12, 3, 98 L. Lebanowski,98 V. Lozza,99, 100 A. Marino,106 A. Mastbaum,107 C. Mauger,98 S. Naugle,98 M. Newcomer,98 A. Nikolica,98 G. D. Orebi Gann,12, 3 L. Pickard,108 J. Saba,12 S. Schoppmann,12, 3 J. Sensenig,98 M. Smiley,12, 3 H. Steiger,109, 110 R. Svoboda,108 E. Tiras,102, 111 W. H. Trzaska,112 R. van Berg,98, 101 G. Wendel,97 M. Wetstein,113 M. Wurm,109 G. Yang,12, 3 M. Yeh,14 and E.D. Zimmerman106 (The EOS team) A. Abusleme,114 T. Adam,115 S. Ahmad,116 R. Ahmed,116 S. Aiello,117 M. Akram,116 A. Aleem,116 T. Alexandros,118 F. P. An,119 Q. An,46 G. Andronico,117 N. Anfimov,48 V. Antonelli,120 T. Antoshkina,48 B. Asavapibhop,121 J. P. A. M. de André,115 D. Auguste,122 W. Bai,36 N. Balashov,48 W. Baldini,123 A. Barresi,124 D. Basilico,120 E. Baussan,115 M. Bellato,125 A. Bergnoli,125 T. Birkenfeld,118 S. Blin,122 D. Blum,126 S. Blyth,38 A. Bolshakova,48 M. Bongrand,122 C. Bordereau,127, 40 D. Breton,122 A. Brigatti,120 R. Brugnera,128 R. Bruno,117 A. Budano,129 Jose Busto,130 A. Cabrera,122 B. Caccianiga,120 H. Cai,131 X. Cai,39 Y. K. Cai,39 Z. Y. Cai,39 R. Callegari,128 A. Cammi,132 A. Campeny,114 C. Y. Cao,39 G. F. Cao,39 J. Cao,39 R. Caruso,117 C. Cerna,127 C. Chan,56 J. F. Chang,39 Y. Chang,40 P. P. Chen,133 P. A. Chen,38 S. Chen,134 X. Chen,135 Y. Chen,43 Y. Chen,36 Z. Chen,39 Z. Chen,36 J. Cheng,43 Y. Cheng,136 Y. C. Cheng,38 A. Chetverikov,48 D. Chiesa,124 P. Chimenti,137 Z. Chu,39 A. Chukanov,48 G. Claverie,127 C. Clementi,138 B. Clerbaux,139 S. Di Lorenzo,122 D. Corti,125 F. D. Corso,125 O. Dalager,11 C. De La Taille,122 Z. Deng,134 Z. Y. Deng,39 W. Depnering,140 M. Diaz,114 X. F. Ding,120 Y. Y. Ding,39 B. Dirgantara,141 S. Dmitrievsky,48 T. Dohnal,47 D. Dolzhikov,48 G. Donchenko,142 J. M. Dong,134 E. Doroshkevich,143 W. Dou,134 M. Dracos,115 F. Druillole,127 R. Du,39 S. X. Du,144 S. Dusini,125 M. Dvorak,47 T. Enqvist,145 A. Fabbri,129 U. Fahrendholz,146 D. H. Fan,147 L. Fan,39 J. Fang,39 W. X. Fang,39 M. Fargetta,117 D. Fedoseev,48 Z. Fei,39 L. C. Feng,56 Q. C. Feng,148 F. Ferraro,120 R. Ford,120 A. Fournier,127 H. N. Gan,149 F. Gao,118 A. Garfagnini,128 A. Gavrikov,48 M. Giammarchi,120 N. Giudice,117 M. Gonchar,48 G. Gong,134 H. Gong,134 Y. Gornushkin,48 A. Göttel,150, 118 M. Grassi,128 V. Gromov,48 M. Gu,39 X. Gu,144 Y. Gu,151 M. Y. Guan,39 Y. D. Guan,39 N. Guardone,117 C. Guo,39 J. Y. Guo,36 W. L. Guo,39 X. H. Guo,51 Y. H.