Flux-integrated inclusive and pionless cross sections for charged-current neutrino scattering off ${}^{40}\text{Ar}$ at energies available in the MicroBooNE experiment

Resumen Técnico: Secciones Eficaces Integradas en el Flujo e Inclusivas y Sin Piones para la Dispersión de Neutrinos de Corriente Cargada sobre $^{40}$Ar

Planteamiento del Problema
El conocimiento preciso de las secciones eficaces de interacción neutrino-núcleo al nivel del percentual es crítico para los experimentos actuales y de próxima generación de oscilación de neutrinos (por ejemplo, SBN, DUNE, Hyper-Kamiokande). Si bien existen datos extensos para carbono y oxígeno, los datos para argón siguen siendo relativamente escasos. Los modelos teóricos y generadores de eventos existentes han demostrado una incapacidad para describir los datos experimentales con alta precisión, lo que crea la necesidad de un benchmarking detallado. Específicamente, existe un requisito para validar los marcos teóricos contra mediciones de secciones eficaces integradas en el flujo e inclusivas y semi-inclusivas (sin piones) para argón dentro del rango de energía del Booster Neutrino Beam (BNB), donde los procesos de cuasielasticidad de corriente cargada (CCQE) y de corrientes de intercambio de mesones (MEC) predominan.

Metodología
Los autores calculan las secciones eficaces integradas en el flujo, tanto simples como dobles diferenciales, para la dispersión de $\nu_\mu$ sobre $^{40}$Ar utilizando la Aproximación de Impulso de Onda Distorsionada Relativista (RDWIA) combinada con Corrientes de Intercambio de Mesones (MEC) de Dos Partículas-Dos Huecos (2p-2h).

• Marco Teórico:
  • Canal CCQE: Modelado mediante RDWIA, que trata los estados nucleónicos ligados a través de soluciones autoconsistentes de la ecuación de Dirac dentro de un modelo de partícula independiente (IPSM) basado en un lagrangiano de campo medio relativista ($\sigma-\omega$). Las interacciones de estado final (FSI) se contabilizan utilizando un potencial óptico relativista fenomenológico (parametrización EDAD1). Las correlaciones nucleón-nucleón de corto alcance se estiman para dar cuenta de los componentes de alto momento en el blanco.
  • Canal MEC: Las contribuciones de 2p-2h se calculan utilizando el enfoque SuSA-MEC, incorporando parametrizaciones precisas derivadas de cálculos exactos de MEC. Esto incluye mecanismos de intercambio de un pión (componentes de gaviota, pión en vuelo, polo de pión y polo de delta).
  • Resonancia y DIS: Las contribuciones de la producción de resonancia (RES) y la dispersión profunda inelástica (DIS) se evalúan utilizando el generador de eventos GENIE (versión 3.04.00) con la configuración del modelo G18-10a.
  • Factores de Forma: Los factores de forma vectorial utilizan la parametrización MMD, mientras que el factor de forma axial emplea una parametrización de dipolo con una masa axial $M_A = 1.2$ GeV, un valor determinado previamente a partir de los datos de MiniBooNE.
• Procesamiento de Datos: Las predicciones teóricas se integran en el flujo sobre el espectro del BNB y se "suavizan" utilizando la matriz de desmezclado ($A_c$) derivada de los datos de MicroBooNE para facilitar la comparación directa con los resultados experimentales.

Contribuciones Clave

1. Validación de RDWIA+MEC para Argón: El estudio proporciona un cálculo exhaustivo de las secciones eficaces diferenciales inclusivas e inclusivas sin piones (CC0$\pi$) integradas en el flujo para el argón, específicamente adaptadas a las condiciones experimentales de MicroBooNE.
2. Comparación de Efectos Nucleares: El artículo realiza un análisis comparativo de las secciones eficaces diferenciales en función de la energía cinética del muón para el carbono (MiniBooNE) y el argón (MicroBooNE), escalados al número de neutrones del blanco. Esto tiene como objetivo aislar los efectos del medio nuclear entre los dos núcleos.
3. Benchmarking: El trabajo sirve como un punto de referencia para refinar los generadores de eventos de neutrinos y los modelos teóricos, abordando la discrepancia entre los modelos existentes y los datos de alta precisión.

Resultados

• Secciones Eficaces Inclusivas: Las secciones eficaces dobles diferenciales calculadas ($d^2\sigma/d\varepsilon_\mu d\cos\theta$) y las secciones eficaces simples diferenciales ($d\sigma/d\varepsilon_\mu$ y $d\sigma/d\cos\theta$) muestran un buen acuerdo con los datos de MicroBooNE dentro de las incertidumbres experimentales (que superan el 10%).
  • La contribución CCQE predomina, representando aproximadamente el 50% de la sección eficaz total, con MEC contribuyendo un ~16%, RES un ~26% y DIS un ~8%.
  • La fracción CCQE aumenta con la energía del muón, alcanzando un ~65% por encima de 1.2 GeV.
  • Se observan discrepancias menores: el modelo sobreestima ligeramente los datos en el rango $0.8 < \cos\theta < 0.9$ y los subestima en el rango $0.9 < \cos\theta < 1.0$. Se observa una ligera subestimación sistemática para energías de muón $E_\mu > 0.8$ GeV.
• Secciones Eficaces Sin Piones (CC0$\pi$): Para la dispersión sin piones, el modelo predice que las interacciones de tipo CCQE (CCQE + MEC) proporcionan la contribución dominante. Las secciones eficaces dobles diferenciales calculadas ($d^2\sigma/dp_\mu d\cos\theta$) y simples diferenciales ($d\sigma/dp_\mu$ y $d\sigma/d\cos\theta$) concuerdan generalmente con los datos de MicroBooNE dentro de las grandes incertidumbres experimentales (que superan el 15%).
• Comparación Carbono vs. Argón: Al comparar las secciones eficaces sin piones por neutrón para el carbono y el argón, la diferencia teórica se calcula en aproximadamente un 6%, mostrando una débil dependencia de la energía del muón. Sin embargo, la comparación de los datos experimentales de MiniBooNE y MicroBooNE muestra consistencia dentro de sus respectivas incertidumbres (que superan el 10%). En consecuencia, la precisión experimental actual es insuficiente para estimar cuantitativamente la diferencia en los efectos nucleares entre los dos núcleos.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que el enfoque RDWIA+MEC describe con éxito las secciones eficaces simples y dobles diferenciales medidas para el argón dentro de las incertidumbres experimentales. Los autores enfatizan que, si bien los datos actuales validan el modelo, la precisión de las mediciones existentes (incertidumbres >10%) impide una extracción cuantitativa definitiva de las diferencias en los efectos nucleares entre el carbono y el argón.

Los autores concluyen que para que los experimentos futuros (como los planeados para el detector SAND en DUNE) logren estudiar con éxito las diferencias en los efectos nucleares entre los blancos de carbono y argón a energías inferiores a 2 GeV, es crucial medir las secciones eficaces diferenciales con una precisión superior al 6%. Este trabajo subraya la necesidad de mediciones de alta precisión para refinar los modelos de secciones eficaces multi-blanco y minimizar las incertidumbres sistemáticas asociadas con los efectos del medio nuclear en futuros análisis de oscilación de neutrinos.