Probing Nuclear Effects with Transverse Kinematic Imbalance in Muon-neutrino Induced Charged-Current $\pi^0$ Production on Argon with the MicroBooNE Detector

Resumen Técnico: Sondeo de Efectos Nucleares mediante el Desequilibrio Cinemático Transversal en la Producción de $\pi^0$ Inducida por Neutrinos Muónicos de Corriente Cargada en Argón

Planteamiento del Problema
Las mediciones de precisión de oscilación de neutrinos en los próximos experimentos, tales como el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Hyper-Kamiokande y el programa Short-Baseline Neutrino, dependen de la reconstrucción precisa de la energía del neutrino incidente a partir de las partículas del estado final. Esta reconstrucción está supeditada a un modelado fiable de las interacciones neutrino-núcleo. Una fuente significativa de incertidumbre sistemática surge de los efectos nucleares, particularmente de las interacciones de estado final (FSI), que alteran los momentos y las multiplicidades de las partículas que emergen del núcleo. En el rango de energía de 1–4 GeV, la producción resonante de piones (dominada por la resonancia $\Delta(1232)$) es un canal de interacción primario. Sin embargo, los modelos existentes luchan por describir simultáneamente la compleja interacción entre la excitación de la resonancia, la desintegración y la propagación hadrónica a través del medio nuclear. Específicamente, la producción de piones neutros ($\pi^0$) es un fondo crítico para las búsquedas de aparición de neutrinos electrónicos debido a su desintegración en fotones, que pueden imitar las firmas de electrones. Existe la necesidad de realizar mediciones de alta estadística en blancos de argón para restringir estos modelos, ya que los datos previos sobre carbono (por ejemplo, de MINERvA) pueden no capturar completamente la dinámica nuclear específica del argón.

Metodología
La colaboración MicroBooNE presenta una medición de las interacciones de corriente cargada (CC) de neutrinos muónicos sobre argón que resultan en un estado final de un muón, un $\pi^0$ y al menos un protón ($\nu_\mu$CCNp1$\pi^0$). El análisis utiliza el conjunto completo de datos del Booster Neutrino Beam (BNB) de MicroBooNE, que corresponde a $1.10 \times 10^{21}$ protones-sobre-blanco (POT).

Los componentes metodológicos clave incluyen:

• Selección de Eventos: Los eventos se categorizan como totalmente contenidos (FC) o parcialmente contenidos (PC). Los criterios de selección requieren un muón reconstruido con una energía cinética $T_\mu > 40$ MeV, al menos un protón con $T_p > 60$ MeV y exactamente un $\pi^0$ reconstruido (identificado mediante cascadas $\gamma\gamma$). Se rechazan los eventos con piones cargados o mesones pesados por encima de 40 MeV para suprimir los fondos de dispersión inelástica profunda (DIS).
• Reconstrucción: El análisis emplea un algoritmo actualizado de Dispersión de Coulomb Múltiple (MCS) para los muones parcialmente contenidos y una conversión de carga a energía refinada para las cascadas electromagnéticas. La eficiencia de señal es del 12.7% con una pureza del 75.6%.
• Desequilibrio Cinemático Transversal (TKI): El estudio se centra en las variables TKI, que caracterizan el desequilibrio de momento en el plano transversal a la dirección del haz de neutrinos. Estas variables ($\delta p_T$, $\delta \alpha_T$, $\delta p^x_T$, $\delta p^y_T$) son sensibles a los efectos nucleares como el movimiento de Fermi y las FSI. El momento hadrónico principal se define como $\vec{p}_h = \vec{p}_{\pi^0} + \vec{p}_p$.
• Marco de Análisis: Las secciones eficaces diferenciales se extraen utilizando un enfoque de desenmascaramiento (unfolding) por bloques (Wiener-SVD) para preservar las correlaciones entre observables. Las incertidumbres sistemáticas de flujo, modelado de interacción y respuesta del detector se propagan mediante matrices de covarianza.
• Validación del Modelo: Se realizan pruebas de bondad de ajuste (GoF) en el espacio reconstruido utilizando restricciones condicionales derivadas de observables bien medidos para mejorar la sensibilidad a errores de modelado.
• Simulación: Las predicciones se comparan con varios generadores de interacción de neutrinos: GENIE v3.0.6 (MicroBooNE tune G18T y DUNE baseline AR23), NuWro 25.11, NEUT v5.4.0.1 y GiBUU 2025. Se aplica un procedimiento de reponderación actualizado a la simulación de GENIE para corregir una sobrepredicción de la sección eficaz de intercambio de carga (CEX) de piones.

Contribuciones Clave

• Primera Medición en Argón con TKI: Este trabajo proporciona la primera medición de las interacciones de tipo resonancia de $\nu_\mu$ en argón utilizando variables de desequilibrio cinemático transversal.
• Caracterización Cinemática Integral: El artículo reporta diez mediciones de sección eficaz diferencial simple que cubren la cinemática del muón, el $\pi^0$ y el protón principal, así como los cuatro observables de TKI.
• Definición de Señal Mejorada: Al requerir al menos un protón en el estado final, el análisis aumenta la fracción de interacciones de resonancia bariónica en la muestra seleccionada en comparación con las mediciones previas inclusivas de $\pi^0$.
• Estadísticas y Pureza Mejoradas: El uso del conjunto completo de datos y los criterios de selección actualizados produce estadísticas significativamente más altas y una pureza de señal mejorada (75.6%) en comparación con los resultados previos de MicroBooNE.
• Tratamiento Sistemático de FSI: El análisis incorpora una reponderación dedicada del modelo de transporte de hadrones intranucleares de GENIE para abordar las discrepancias en las tasas de intercambio de carga de piones.

Resultados

• Sección Eficaz: La sección eficaz total integrada por el flujo se mide en $1.62 \times 10^{-38}$ cm$^2$/Ar.
• Comparación de Modelos:
  • Distribuciones Cinemáticas: Las distribuciones de energía cinética de las partículas del estado final son generalmente bien reproducidas por los generadores, siendo NEUT el que muestra la mejor concordancia general para las variables individuales. Sin embargo, se observan discrepancias significativas en las formas de las distribuciones angulares. Todos los generadores sobrepredicen los muones que avanzan hacia adelante (posiblemente vinculado al modelado del bloqueo de Pauli) y subpredicen los $\pi^0$ y protones que avanzan hacia adelante.
  • Observables TKI: Los datos exhiben una distribución de desequilibrio de momento transversal ($\delta p_T$) más estrecha de lo predicho por la mayoría de los generadores, lo que sugiere una sobreestimación del ensanchamiento del momento transversal en los modelos. Además, la distribución del ángulo de apertura transversal ($\delta \alpha_T$) muestra que los modelos subestiman los datos en ángulos grandes (cerca de 180$^\circ$), una región asociada con la deceleración del sistema hadrónico debido a las FSI.
  • Concordancia Global: Ningún generador logra un acuerdo uniforme en todos los diez observables. Al considerar la matriz de covarianza completa, GENIE (G18T) ofrece la mejor concordancia general, seguido de cerca por NEUT. El modelo GiBUU T2 inmed muestra un desacuerdo sustancial, particularmente en los observables de $\pi^0$.
• Comparación con MINERvA: Aunque ambas mediciones en argón y carbono muestran que los modelos sobrepredicen el ancho de la distribución de $\delta p^x_T$, los datos de MicroBooNE en argón revelan una preferencia más fuerte para que el vector de desequilibrio esté orientado opuesto a la dirección del muón (gran $\delta \alpha_T$) de lo observado en los datos de carbono de MINERvA.

Significancia
El artículo afirma que esta medición proporciona restricciones estrictas a los modelos de producción de resonancia y transporte hadrónico en núcleos. Los resultados resaltan que los modelos de interacción actuales carecen de la precisión necesaria para reproducir simultáneamente todos los observables cinemáticos y de TKI medidos. Específicamente, las discrepancias en las variables TKI sugieren deficiencias en el modelado de la correlación entre la magnitud y la dirección del desequilibrio de momento transversal, apuntando a problemas no resueltos en la descripción de la re-dispersión hadrónica y los efectos nucleares. Estos hallazgos son esenciales para reducir las incertidumbres sistemáticas en futuros experimentos de oscilación de neutrinos de larga línea de base, particularmente DUNE, donde la producción de resonancia es un canal de interacción dominante. El trabajo constituye un paso necesario hacia un modelado de interacción mejorado requerido para la física de precisión.