Signal selection and model-independent extraction of pionless charged-current muon neutrino cross section using double-differential kinematic imbalance observables on carbon and oxygen with the T2K experiment

Resumen Técnico: Selección de Señal y Extracción Independiente del Modelo de la Sección Transversal de Neutrinos de Muón de Corriente Cargada Sin Piones

Planteamiento del Problema
Los experimentos actuales y futuros basados en aceleradores, como T2K, NOvA, Hyper-Kamiokande y DUNE, tienen como objetivo realizar mediciones de precisión de los parámetros de oscilación de neutrinos. Sin embargo, la incertidumbre sistemática dominante en estas mediciones surge del modelado de las interacciones neutrino-núcleo. Específicamente, los "efectos nucleares" —que incluyen los estados iniciales de los nucleones, las correlaciones de nucleones y las interacciones de estado final (FSI)— distorsionan el espectro de energía del neutrino reconstruido, lo que puede sesgar la extracción de los parámetros de oscilación. Los modelos de interacción existentes a menudo no logran describir adecuadamente los datos en diversos regímenes cinemáticos. Para abordar esto, existe una necesidad crítica de mediciones de sección transversal de alta precisión e independientes del modelo que puedan aislar y restringir estos efectos nucleares.

Metodología
Este análisis presenta la primera medición conjunta de interacciones de neutrino de muón de corriente cargada con cero piones y al menos un protón ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) en objetivos de carbono y oxígeno utilizando el Detector Cercano 280 (ND280) de T2K. El estudio utiliza datos recolectados entre 2010 y 2017, correspondientes a $11.61 \times 10^{20}$ protones sobre blanco (POT).

• Definición y Selección de la Señal: La señal se define como interacciones que producen un muón, cero piones y al menos un protón reconstruido originado en el vértice de la interacción. El análisis emplea un algoritmo sofisticado de selección de eventos aplicado a los volúmenes fiduciales de los detectores de grano fino (FGD1 y FGD2). La muestra se subdivide según los subcomponentes del detector (seguimiento por TPC vs. FGD) y el material del blanco (el FGD2 se divide además en "FGD2X" y "FGD2Y" para mejorar la pureza de oxígeno y carbono, respectivamente).
• Observables de Desequilibrio Cinemático (KI): Para mejorar la sensibilidad a los efectos nucleares, la sección transversal se mide diferencialmente en dos espacioses dobles dimensiones utilizando observables de KI:
  1. $\delta p_T$ vs. $\delta \alpha_T$: Desequilibrio de momento transversal y el ángulo de impulso de la componente transversal.
  2. $p_N$ vs. $\cos \theta_\mu$: Momento inicial del nucleón inferido y el ángulo de dispersión del muón.
     Estos observables aprovechan las correlaciones entre el leptón saliente y los hadrones para sondear el movimiento inicial, las correlaciones de multinucleones y las FSI.
• Control de Fondo: Los fondos dominantes, principalmente interacciones $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ y CC1$\pi^0$ donde se pierden los piones, se gestionan mediante un enfoque basado en datos. Se utiliza una muestra de control dedicada, enriquecida en interacciones $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ (que requiere electrones de Michel o trazas de piones identificadas), para restringir la normalización del fondo en el ajuste.
• Marco de Extracción: La sección transversal se extrae mediante un método de desenmascaramiento (unfolding) de ajuste de plantillas con el software GUNDAM. El ajuste utiliza una función de verosimilitud por intervalos comparando los datos con plantillas de Monte Carlo (MC). Los parámetros del ajuste incluyen factores de normalización de la señal sin restricciones para cada intervalo del observable real y parámetros de molestia (nuisance parameters) restringidos para efectos del detector, flujo de neutrinos y modelado de interacción (CCQE, 2p2h, FSI, SPP, etc.). La extracción se valida mediante pruebas de cobertura y ajustes de pseudo-datos de física utilizando modelos de interacción alternativos (por ejemplo, GENIE) para asegurar la independencia del modelo.

Contribuciones Clave

• Medición Conjunta: Este trabajo proporciona la primera medición simultánea de las secciones transversales de $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np tanto en carbono como en oxígeno, abordando la composición nuclear específica del detector lejano Super-Kamiokande.
• Observables de KI Doble-Diferenciales: El análisis introduce mediciones doble-diferenciales en los espacios $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ y $p_N$–$\cos \theta_\mu$. Estos observables están diseñados para desacoplar los efectos nucleares superpuestos, ofreciendo una mayor discriminación entre el movimiento del estado inicial, las correlaciones de multinucleones y las interacciones de estado final en comparación con las mediciones de una sola variable.
• Extracción Independiente del Modelo: Al emplear un ajuste de plantillas con intervalos de señal sin restricciones y una validación rigurosa contra generadores alternativos, el análisis extrae secciones transversales que son mínimamente dependientes del modelo de interacción de neutrino específico utilizado en la simulación.
• Evaluación Exhaustiva de Incertidumbres: El estudio incluye una evaluación detallada de las incertidumbres sistemáticas, incluyendo la reconstrucción del detector, la predicción del flujo (restringida por datos de NA61/SHINE) y el modelado de la interacción, utilizando muestras de control y matrices de covarianza.

Resultados
El análisis seleccionó 9,469 candidatos $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np con una pureza de señal global del 74.7%. Las secciones transversales doble-diferenciales extraídas revelan discrepancias significativas entre los datos y los modelos actuales de interacción neutrino-núcleo (específicamente el generador NEUT utilizado en la simulación).

• Discrepancias Datos-MC: Los datos exhiben un exceso de eventos cerca de los picos de las distribuciones de $\delta p_T$ y $p_N$ en comparación con las predicciones de MC. Además, el MC tiende a sobreestimar los datos para los muones producidos en la dirección muy frontal ($\cos \theta_\mu \sim 1$).
• Desempeño del Modelo: Los resultados indican que los modelos actuales no describen adecuadamente los datos, particularmente en las regiones sensibles a los efectos nucleares. El fuerte poder de discriminación de los observables de KI se demuestra por la clara separación de las diferentes contribuciones de interacción en los espacios de fase 2D.

Significancia
El artículo concluye que las discrepancias observadas resaltan la necesidad crítica de un mejor modelado nuclear teórico dentro de los generadores de interacción de neutrinos. La fuerte sensibilidad de los observables de KI a los efectos nucleares sugiere que estas mediciones son esenciales para reducir las incertidumbres sistemáticas en los análisis de oscilación de neutrinos. Al proporcionar datos precisos e independientes del modelo de secciones transversales en carbono y oxígeno, este trabajo apoya el desarrollo de modelos de interacción más exactos, lo cual es un requisito previo para alcanzar los objetivos de alta precisión de los experimentos de oscilación de neutrinos actuales y de próxima generación.