First double-differential measurement of pionless charged-current muon neutrino interactions using kinematic imbalance observables on carbon and oxygen with the T2K experiment

Resumen Técnico: Primera Medición Doble Diferencial de Interacciones de Neutrinos Muónicos de Corriente Cargada Sin Piones en Carbono y Oxígeno

Problema y Motivación
Los experimentos actuales y futuros de oscilación de neutrinos de larga línea de base, como T2K e Hyper-Kamiokande, dependen de mediciones precisas de las oscilaciones de neutrinos mediante la comparación de los espectros observados con las predicciones teóricas. A energías sub-GeV (~0.6 GeV), la señal está dominada por interacciones de corriente cargada sin piones (CC0$\pi$). Las técnicas de reconstrucción estándar asumen una dispersión cuasielástica (QE) sobre un nucleón libre en reposo; sin embargo, los efectos nucleares —incluyendo el movimiento de Fermi, las correlaciones de nucleones (de corto/largo alcance) y las interacciones de estado final (FSIs)— violan este supuesto. Las FSIs pueden absorber piones de los canales de producción, desplazando eventos hacia la muestra CC0$\pi$ y distorsionando la reconstrucción de la energía del neutrino.

Las mediciones existentes sobre oxígeno, el blanco principal para Super-Kamiokande e Hyper-Kamiokande, son escasas y se limitan a la cinemática leptónica, careciendo de sensibilidad hacia los estados finales hadrónicos necesarios para sondear los complejos efectos nucleares. En consecuencia, los análisis de oscilación de T2K extrapolan actualmente los resultados basados en carbono desde el detector cercano (ND280) hacia blancos de oxígeno. Esta extrapolación introduce una dependencia significativa del modelo, ya que los generadores de interacción ampliamente utilizados predicen diferencias de hasta un ~10% en las razones de sección eficaz de carbono a oxígeno. Para resolver estas incertidumbres de modelado y reducir los errores sistemáticos en los parámetros de oscilación ($\theta_{23}$, $\Delta m^2_{32}$, $\delta_{CP}$), se requieren mediciones directas en múltiples blancos utilizando observables de desequilibrio cinemático.

Metodología
Este trabajo presenta la primera medición de la sección eficaz doble diferencial de interacciones $\nu_\mu$ CC0$\pi$ con al menos un protón en el estado final ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) en ambos blancos, carbono y oxígeno. El análisis utiliza datos recolectados por el detector cercano ND280 del experimento T2K entre 2010 y 2017, lo que corresponde a una exposición de $11.61 \times 10^{20}$ protones sobre blanco (POT).

• Blancos y Detección: El análisis emplea dos detectores de centelleador de grano fino (FGDs) dentro de ND280. El FGD1 sirve como blanco de carbono, mientras que el FGD2, compuesto por capas intercaladas de centelleador plástico y agua, proporciona una mezcla de blancos de carbono y oxígeno. Las partículas cargadas son rastreadas por los TPCs circundantes.
• Selección de la Señal: La muestra de señal consiste en interacciones $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np dentro de los volúmenes fiduciales de FGD1 y FGD2. Se aplican restricciones cinemáticas al muón saliente ($0.225 < p_\mu < 10$ GeV/c, $\cos\theta_\mu > -0.6$) y al protón líder ($0.525 < p_p < 1$ GeV/c, $\cos\theta_p > 0.3$) para asegurar una buena aceptación del detector. La muestra seleccionada contiene 9,469 candidatos con una composición estimada de 70.8% de interacciones de carbono y 22.3% de oxígeno. La pureza de la señal es del 74.6%.
• Observables de Desequilibrio Cinemático (KI): Para desentrañar los efectos nucleares, la medición se realiza en función de tres observables de KI:
  1. Desequilibrio de momento transversal ($\delta p_T$).
  2. Ángulo de impulso transversal ($\delta \alpha_T$).
  3. Momento inicial inferido del nucleón ($p_N$), que incorpora información longitudinal derivada de la conservación de la energía-momento.
     El análisis reporta secciones eficaces doble diferenciales en dos espacios de fase complementarios: $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ y $p_N$–$\cos\theta_\mu$.
• Estrategia de Análisis: Las secciones eficaces se extraen utilizando un método de desenredo (unfolding) de ajuste de plantillas con el software GUNDAM. El modelo de ajuste incluye parámetros de normalización libres para dar cuenta de las discrepancias entre los datos y el MC. Se incluyen las incertidumbres sistemáticas de la simulación del detector, el modelado del flujo y el modelado de la interacción, siendo el modelado de la interacción la fuente dominante.
• Comparación de Modelos: Las secciones eficaces medidas se comparan contra las predicciones de cuatro generadores de eventos de neutrinos: NEUT v6.1.0, GENIE v3.6.2 (usando dos configuraciones: G18 10b y AR23 20i), NuWro v25.03.1 y GiBUU v2025p3. Estos modelos emplean diversos enfoques para los estados iniciales de los nucleones (Función Espectral vs. Gas de Fermi Local), interacciones multinucleones (Valencia vs. SuSAv2) y FSIs (Cascada Intranuclear vs. teoría de transporte).

Contribuciones Clave

• Primera Medición Conjunta: Esta es la primera medición doble diferencial de las secciones eficaces $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np en carbono y oxígeno simultáneamente.
• Sensibilidad Directa: Al medir ambos blancos, el trabajo proporciona una sensibilidad directa a las correlaciones entre carbono y oxígeno, un ingrediente crítico para reducir las incertidumbres sistemáticas en experimentos que utilizan múltiples núcleos como blanco.
• Sondeo de Efectos Nucleares: El uso de los observables $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ y $p_N$–$\cos\theta_\mu$ permite la separación de la dinámica del estado inicial (movimiento de Fermi) de las interacciones de estado final y las correlaciones multinucleones.
• Especificidades del Oxígeno: La medición ofrece un sondeo único de los efectos nucleares en el oxígeno, un núcleo "doblemente mágico", que ha sido históricamente menos estudiado en comparación con el carbono.

Resultos

• Incertidumbres: Las secciones eficaces medidas exhiben incertidumbres relativas totales que van desde el 15% al 80%, dominadas por fluctuaciones estadísticas (9%–70%). Entre las fuentes sistemáticas, el modelado de la interacción neutrino-núcleo contribuye con un 8%–30%.
• Desempeño de los Modelos:
  • NEUT y NuWro: Estos modelos, que utilizan el estado fundamental de Función Espectral (SF), el modelo Valencia para interacciones 2p2h y FSIs basadas en cascada, muestran el mejor acuerdo general con los datos, arrojando los valores p más altos en los espacios de fase medidos.
  • GENIE y GiBUU: Estos generadores exhiben mayores tensiones con los datos, particularmente para el carbono. Sin embargo, la configuración GENIE AR23 20i (que incorpora correlaciones de corto alcance y el modelo SuSAv2) logra un mejor valor p (~0.13) en el espacio $p_N$–$\cos\theta_\mu$ en comparación con su contraparte G18 10b.
  • Especificidades de GiBUU: GiBUU describe con precisión la región de alto ángulo ($\delta \alpha_T > 135^\circ$) donde las FSIs son prominentes, pero falla en capturar la región de bajo $\delta \alpha_T$ dominada por interacciones CCQE, probablemente debido a un $\delta p_T$ global subestimado.
• Discrepancias: Todos los generadores probados subpredicen los datos en la región intermedia de $\delta p_T$ (0.2–0.5 GeV/c) para el carbono y muestran déficits similares, aunque menos pronunciados, para el oxígeno en regiones angulares específicas. Un déficit comparable aparece en el rango intermedio de $p_N$ (0.2–0.4 GeV/c) para muones que viajan hacia adelante. Estas regiones son sensibles a las correlaciones de corto alcance (SRCs) y a las interacciones multinucleonales (npnh), lo que sugiere que las implementaciones actuales de estos procesos son insuficientes. Además, para el oxígeno, los datos muestran una sección eficaz más alta cerca del pico de $p_N$ a ángulos de dispersión de muones grandes, lo que indica la necesidad de un tratamiento refinado del estado nuclear inicial en este espacio de fase.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados proporcionan una sonda novedosa y altamente sensible de los efectos nucleares, incluyendo el movimiento inicial del nucleón, las interacciones multinucleonales y las FSIs. La medición conjunta ofrece una prueba directa del modelado unificado de la dispersión neutrino-núcleo en carbono y oxígeno, lo cual es directamente relevante para los programas de física de T2K e Hyper-Kamiokande. Los hallazgos resaltan direcciones específicas donde son necesarias mejoras en el modelado de la interacción neutrino–núcleo, particularmente respecto a la descripción de las SRCs y las interacciones multinucleonales. Aunque la medición está actualmente limitada por las incertidumbres estadísticas, la metodología y los conocimientos establecidos aquí sientan las bases para estudios más precisos de los efectos nucleares utilizando futuros datos de T2K del detector ND280 mejorado.