We present cosmological parameter results from the final full-mission Planck measurements of the CMB anisotropies. We find good consistency with the standard spatially-flat 6-parameter $\Lambda$CDM cosmology having a power-law spectrum of adiabatic scalar perturbations (denoted "base $\Lambda$CDM" in this paper), from polarization, temperature, and lensing, separately and in combination. A combined analysis gives dark matter density $\Omega_c h^2 = 0.120\pm 0.001$, baryon density $\Omega_b h^2 = 0.0224\pm 0.0001$, scalar spectral index $n_s = 0.965\pm 0.004$, and optical depth $\tau = 0.054\pm 0.007$ (in this abstract we quote $68\,\%$ confidence regions on measured parameters and $95\,\%$ on upper limits). The angular acoustic scale is measured to $0.03\,\%$ precision, with $100\theta_*=1.0411\pm 0.0003$. These results are only weakly dependent on the cosmological model and remain stable, with somewhat increased errors, in many commonly considered extensions. Assuming the base-$\Lambda$CDM cosmology, the inferred late-Universe parameters are: Hubble constant $H_0 = (67.4\pm 0.5)$km/s/Mpc; matter density parameter $\Omega_m = 0.315\pm 0.007$; and matter fluctuation amplitude $\sigma_8 = 0.811\pm 0.006$. We find no compelling evidence for extensions to the base-$\Lambda$CDM model. Combining with BAO we constrain the effective extra relativistic degrees of freedom to be $N_{\rm eff} = 2.99\pm 0.17$, and the neutrino mass is tightly constrained to $\sum m_\nu< 0.12$eV. The CMB spectra continue to prefer higher lensing amplitudes than predicted in base -$\Lambda$CDM at over $2\,\sigma$, which pulls some parameters that affect the lensing amplitude away from the base-$\Lambda$CDM model; however, this is not supported by the lensing reconstruction or (in models that also change the background geometry) BAO data. (Abridged)

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), a 20 kton multi-purpose underground liquid scintillator detector, was proposed with the determination of the neutrino mass hierarchy (MH) as a primary physics goal. The excellent energy resolution and the large fiducial volume anticipated for the JUNO detector offer exciting opportunities for addressing many important topics in neutrino and astro-particle physics. In this document, we present the physics motivations and the anticipated performance of the JUNO detector for various proposed measurements. Following an introduction summarizing the current status and open issues in neutrino physics, we discuss how the detection of antineutrinos generated by a cluster of nuclear power plants allows the determination of the neutrino MH at a 3–4σ significance with six years of running of JUNO. The measurement of antineutrino spectrum with excellent energy resolution will also lead to the precise determination of the neutrino oscillation parameters , , and to an accuracy of better than 1%, which will play a crucial role in the future unitarity test of the MNSP matrix. The JUNO detector is capable of observing not only antineutrinos from the power plants, but also neutrinos/antineutrinos from terrestrial and extra-terrestrial sources, including supernova burst neutrinos, diffuse supernova neutrino background, geoneutrinos, atmospheric neutrinos, and solar neutrinos. As a result of JUNO's large size, excellent energy resolution, and vertex reconstruction capability, interesting new data on these topics can be collected. For example, a neutrino burst from a typical core-collapse supernova at a distance of 10 kpc would lead to ∼5000 inverse-beta-decay events and ∼2000 all-flavor neutrino–proton ES events in JUNO, which are of crucial importance for understanding the mechanism of supernova explosion and for exploring novel phenomena such as collective neutrino oscillations. Detection of neutrinos from all past core-collapse supernova explosions in the visible universe with JUNO would further provide valuable information on the cosmic star-formation rate and the average core-collapse neutrino energy spectrum. Antineutrinos originating from the radioactive decay of uranium and thorium in the Earth can be detected in JUNO with a rate of ∼400 events per year, significantly improving the statistics of existing geoneutrino event samples. Atmospheric neutrino events collected in JUNO can provide independent inputs for determining the MH and the octant of the mixing angle. Detection of the 7Be and 8B solar neutrino events at JUNO would shed new light on the solar metallicity problem and examine the transition region between the vacuum and matter dominated neutrino oscillations. Regarding light sterile neutrino topics, sterile neutrinos with and a sufficiently large mixing angle could be identified through a precise measurement of the reactor antineutrino energy spectrum. Meanwhile, JUNO can also provide us excellent opportunities to test the eV-scale sterile neutrino hypothesis, using either the radioactive neutrino sources or a cyclotron-produced neutrino beam. The JUNO detector is also sensitive to several other beyondthe-standard-model physics. Examples include the search for proton decay via the decay channel, search for neutrinos resulting from dark-matter annihilation in the Sun, search for violation of Lorentz invariance via the sidereal modulation of the reactor neutrino event rate, and search for the effects of non-standard interactions. The proposed construction of the JUNO detector will provide a unique facility to address many outstanding crucial questions in particle and astrophysics in a timely and cost-effective fashion. It holds the great potential for further advancing our quest to understanding the fundamental properties of neutrinos, one of the building blocks of our Universe.

Author(s): Aghanim, N; Akrami, Y; Ashdown, M; Aumont, J; Baccigalupi, C; Ballardini, M; Banday, AJ; Barreiro, RB; Bartolo, N; Basak, S; Battye, R; Benabed, K; Bernard, JP; Bersanelli, M; Bielewicz, P; Bock, JJ; Bond, JR; Borrill, J; Bouchet, FR; Boulanger, F; Bucher, M; Burigana, C; Butler, RC; Calabrese, E; Cardoso, JF; Carron, J; Challinor, A; Chiang, HC; Chluba, J; Colombo, LPL; Combet, C; Contreras, D; Crill, BP; Cuttaia, F; De Bernardis, P; De Zotti, G; Delabrouille, J; Delouis, JM; DI Valentino, E; DIego, JM; Dore, O; Douspis, M; Ducout, A; Dupac, X; Dusini, S; Efstathiou, G; Elsner, F; Enslin, TA; Eriksen, HK; Fantaye, Y; Farhang, M; Fergusson, J; Fernandez-Cobos, R; Finelli, F; Forastieri, F; Frailis, M; Fraisse, AA; Franceschi, E; Frolov, A; Galeotta, S; Galli, S; Ganga, K; Genova-Santos, RT; Gerbino, M; Ghosh, T; Gonzalez-Nuevo, J; Gorski, KM; Gratton, S; Gruppuso, A; Gudmundsson, JE; Hamann, J; Handley, W; Hansen, FK; Herranz, D; Hildebrandt, SR; Hivon, E; Huang, Z; Jaffe, AH; Jones, WC; Karakci, A; Keihanen, E; Keskitalo, R; Kiiveri, K; Kim, J; Kisner, TS | Abstract: In the original version, the bounds given in Eqs. (87a) and (87b) on the contribution to the early-time optical depth, (15,30), contained a numerical error in deriving the 95th percentile from the Monte Carlo samples. The corrected 95% upper bounds are: τ(15,30) l 0:018 (lowE, flat τ(15, 30), FlexKnot), (1) τ(15, 30) l 0:023 (lowE, flat knot, FlexKnot): (2) These bounds are a factor of 3 larger than the originally reported results. Consequently, the new bounds do not significantly improve upon previous results from Planck data presented in Millea a Bouchet (2018) as was stated, but are instead comparable. Equations (1) and (2) give results that are now similar to those of Heinrich a Hu (2021), who used the same Planck 2018 data to derive a 95% upper bound of 0.020 using the principal component analysis (PCA) model and uniform priors on the PCA mode amplitudes.

We describe the legacy Planck cosmic microwave background (CMB) likelihoods derived from the 2018 data release. The overall approach is similar in spirit to the one retained for the 2013 and 2015 data release, with a hybrid method using different approximations at low ( ℓ < 30) and high ( ℓ ≥ 30) multipoles, implementing several methodological and data-analysis refinements compared to previous releases. With more realistic simulations, and better correction and modelling of systematic effects, we can now make full use of the CMB polarization observed in the High Frequency Instrument (HFI) channels. The low-multipole EE cross-spectra from the 100 GHz and 143 GHz data give a constraint on the ΛCDM reionization optical-depth parameter τ to better than 15% (in combination with the TT low- ℓ data and the high- ℓ temperature and polarization data), tightening constraints on all parameters with posterior distributions correlated with τ . We also update the weaker constraint on τ from the joint TEB likelihood using the Low Frequency Instrument (LFI) channels, which was used in 2015 as part of our baseline analysis. At higher multipoles, the CMB temperature spectrum and likelihood are very similar to previous releases. A better model of the temperature-to-polarization leakage and corrections for the effective calibrations of the polarization channels (i.e., the polarization efficiencies) allow us to make full use of polarization spectra, improving the ΛCDM constraints on the parameters θ MC , ω c , ω b , and H 0 by more than 30%, and n s by more than 20% compared to TT-only constraints. Extensive tests on the robustness of the modelling of the polarization data demonstrate good consistency, with some residual modelling uncertainties. At high multipoles, we are now limited mainly by the accuracy of the polarization efficiency modelling. Using our various tests, simulations, and comparison between different high-multipole likelihood implementations, we estimate the consistency of the results to be better than the 0.5 σ level on the ΛCDM parameters, as well as classical single-parameter extensions for the joint likelihood (to be compared to the 0.3 σ levels we achieved in 2015 for the temperature data alone on ΛCDM only). Minor curiosities already present in the previous releases remain, such as the differences between the best-fit ΛCDM parameters for the ℓ < 800 and ℓ > 800 ranges of the power spectrum, or the preference for more smoothing of the power-spectrum peaks than predicted in ΛCDM fits. These are shown to be driven by the temperature power spectrum and are not significantly modified by the inclusion of the polarization data. Overall, the legacy Planck CMB likelihoods provide a robust tool for constraining the cosmological model and represent a reference for future CMB observations.

A combination is presented of all inclusive deep inelastic cross sections previously published by the H1 and ZEUS collaborations at HERA for neutral and charged current $$e^{\pm }p$$ scattering for zero beam polarisation. The data were taken at proton beam energies of 920, 820, 575 and 460 GeV and an electron beam energy of 27.5 GeV. The data correspond to an integrated luminosity of about 1 fb $$^{-1}$$ and span six orders of magnitude in negative four-momentum-transfer squared, $$Q^2$$ , and Bjorken x. The correlations of the systematic uncertainties were evaluated and taken into account for the combination. The combined cross sections were input to QCD analyses at leading order, next-to-leading order and at next-to-next-to-leading order, providing a new set of parton distribution functions, called HERAPDF2.0. In addition to the experimental uncertainties, model and parameterisation uncertainties were assessed for these parton distribution functions. Variants of HERAPDF2.0 with an alternative gluon parameterisation, HERAPDF2.0AG, and using fixed-flavour-number schemes, HERAPDF2.0FF, are presented. The analysis was extended by including HERA data on charm and jet production, resulting in the variant HERAPDF2.0Jets. The inclusion of jet-production cross sections made a simultaneous determination of these parton distributions and the strong coupling constant possible, resulting in $$\alpha _s(M_Z^2)=0.1183 \pm 0.0009 \mathrm{(exp)} \pm 0.0005\mathrm{(model/parameterisation)} \pm 0.0012\mathrm{(hadronisation)} ^{+0.0037}_{-0.0030}\mathrm{(scale)}$$ . An extraction of $$xF_3^{\gamma Z}$$ and results on electroweak unification and scaling violations are also presented.

A bstract The OPERA neutrino experiment at the underground Gran Sasso Laboratory has measured the velocity of neutrinos from the CERN CNGS beam over a baseline of about 730 km. The measurement is based on data taken by OPERA in the years 2009, 2010 and 2011. Dedicated upgrades of the CNGS timing system and of the OPERA detector, as well as a high precision geodesy campaign for the measurement of the neutrino baseline, allowed reaching comparable systematic and statistical accuracies. An arrival time of CNGS muon neutrinos with respect to the one computed assuming the speed of light in vacuum of $ \left( {6.5\pm 7.4\left( {\mathrm{stat}.} \right)_{-8.0}^{+8.3}\left( {\mathrm{sys}.} \right)} \right)\mathrm{ns} $ was measured corresponding to a relative difference of the muon neutrino velocity with respect to the speed of light $ {{{\left( {\upsilon -c} \right)}} \left/ {c} \right.}=\left( {2.7\pm 3.1\left( {\mathrm{stat}.} \right)_{-3.3}^{+3.4}\left( {\mathrm{sys}.} \right)} \right)\times {10^{-6 }} $ . The above result, obtained by comparing the time distributions of neutrino interactions and of protons hitting the CNGS target in 10.5 μ s long extractions, was confirmed by a test performed at the end of 2011 using a short bunch beam allowing to measure the neutrino time of flight at the single interaction level.

We analyse the Planck full-mission cosmic microwave background (CMB) temperature and E -mode polarization maps to obtain constraints on primordial non-Gaussianity (NG). We compare estimates obtained from separable template-fitting, binned, and optimal modal bispectrum estimators, finding consistent values for the local, equilateral, and orthogonal bispectrum amplitudes. Our combined temperature and polarization analysis produces the following final results: f NL local = −0.9 ± 5.1; f NL equil = −26 ± 47; and f NL ortho = −38 ± 24 (68% CL, statistical). These results include low-multipole (4 ≤ ℓ < 40) polarization data that are not included in our previous analysis. The results also pass an extensive battery of tests (with additional tests regarding foreground residuals compared to 2015), and they are stable with respect to our 2015 measurements (with small fluctuations, at the level of a fraction of a standard deviation, which is consistent with changes in data processing). Polarization-only bispectra display a significant improvement in robustness; they can now be used independently to set primordial NG constraints with a sensitivity comparable to WMAP temperature-based results and they give excellent agreement. In addition to the analysis of the standard local, equilateral, and orthogonal bispectrum shapes, we consider a large number of additional cases, such as scale-dependent feature and resonance bispectra, isocurvature primordial NG, and parity-breaking models, where we also place tight constraints but do not detect any signal. The non-primordial lensing bispectrum is, however, detected with an improved significance compared to 2015, excluding the null hypothesis at 3.5 σ . Beyond estimates of individual shape amplitudes, we also present model-independent reconstructions and analyses of the Planck CMB bispectrum. Our final constraint on the local primordial trispectrum shape is g NL local = (−5.8 ± 6.5) × 10 4 (68% CL, statistical), while constraints for other trispectrum shapes are also determined. Exploiting the tight limits on various bispectrum and trispectrum shapes, we constrain the parameter space of different early-Universe scenarios that generate primordial NG, including general single-field models of inflation, multi-field models (e.g. curvaton models), models of inflation with axion fields producing parity-violation bispectra in the tensor sector, and inflationary models involving vector-like fields with directionally-dependent bispectra. Our results provide a high-precision test for structure-formation scenarios, showing complete agreement with the basic picture of the ΛCDM cosmology regarding the statistics of the initial conditions, with cosmic structures arising from adiabatic, passive, Gaussian, and primordial seed perturbations.

A bstract The OPERA neutrino experiment is designed to perform the first observation of neutrino oscillations in direct appearance mode in the ν μ → ν τ channel, via the detection of the τ -leptons created in charged current ν τ interactions. The detector, located in the underground Gran Sasso Laboratory, consists of an emulsion/lead target with an average mass of about 1.2 kt, complemented by electronic detectors. It is exposed to the CERN Neutrinos to Gran Sasso beam, with a baseline of 730 km and a mean energy of 17 GeV. The observation of the first ν τ candidate event and the analysis of the 2008-2009 neutrino sample have been reported in previous publications. This work describes substantial improvements in the analysis and in the evaluation of the detection efficiencies and backgrounds using new simulation tools. The analysis is extended to a sub-sample of 2010 and 2011 data, resulting from an electronic detector-based pre-selection, in which an additional ν τ candidate has been observed. The significance of the two events in terms of a ν μ → ν τ oscillation signal is of 2.40 σ .

Aims. The Euclid space telescope will measure the shapes and redshifts of galaxies to reconstruct the expansion history of the Universe and the growth of cosmic structures. The estimation of the expected performance of the experiment, in terms of predicted constraints on cosmological parameters, has so far relied on various individual methodologies and numerical implementations, which were developed for different observational probes and for the combination thereof. In this paper we present validated forecasts, which combine both theoretical and observational ingredients for different cosmological probes. This work is presented to provide the community with reliable numerical codes and methods for Euclid cosmological forecasts. Methods. We describe in detail the methods adopted for Fisher matrix forecasts, which were applied to galaxy clustering, weak lensing, and the combination thereof. We estimated the required accuracy for Euclid forecasts and outline a methodology for their development. We then compare and improve different numerical implementations, reaching uncertainties on the errors of cosmological parameters that are less than the required precision in all cases. Furthermore, we provide details on the validated implementations, some of which are made publicly available, in different programming languages, together with a reference training-set of input and output matrices for a set of specific models. These can be used by the reader to validate their own implementations if required. Results. We present new cosmological forecasts for Euclid . We find that results depend on the specific cosmological model and remaining freedom in each setting, for example flat or non-flat spatial cosmologies, or different cuts at non-linear scales. The numerical implementations are now reliable for these settings. We present the results for an optimistic and a pessimistic choice for these types of settings. We demonstrate that the impact of cross-correlations is particularly relevant for models beyond a cosmological constant and may allow us to increase the dark energy figure of merit by at least a factor of three.

The OPERA neutrino oscillation experiment has been designed to prove the appearance of ντ in a nearly pure νμbeam (CNGS) produced at CERN and detected in the underground Hall C of the Gran Sasso Laboratory, 730 km away from the source. In OPERA, τ leptons resulting from the interaction of ντare produced in target units called bricks made of nuclear emulsion films interleaved with lead plates. The OPERA target contains 150000 of such bricks, for a total mass of 1.25 kton, arranged into walls interleaved with plastic scintillator strips. The detector is split into two identical supermodules, each supermodule containing a target section followed by a magnetic spectrometer for momentum and charge measurement of penetrating particles. Real time information from the scintillators and the spectrometers provide the identification of the bricks where the neutrino interactions occurred. The candidate bricks are extracted from the walls and, after X-ray marking and an exposure to cosmic rays for alignment, their emulsion films are developed and sent to the emulsion scanning laboratories to perform the accurate scan of the event. In this paper, we review the design and construction of the detector and of its related infrastructures, and report on some technical performances of the various components. The construction of the detector started in 2003 and it was completed in Summer 2008. The experiment is presently in the data taking phase. The whole sequence of operations has proven to be successful, from triggering to brick selection, development, scanning and event analysis.