First Measurement of Differential Cross Sections in Kinematic Imbalance Variables with Electron Neutrino Interactions Using the MicroBooNE Detector

Resumen Técnico: Primera Medición de Secciones Eficaces Diferenciales en Variables de Desequilibrio Cinemático con Interacciones de Neutrinos Electrónicos utilizando el Detector MicroBooNE

Planteamiento del Problema
Las interacciones de neutrinos electrónicos ($\nu_e$) constituyen la señal de aparición en experimentos de oscilación de neutrinos basados en aceleradores, tales como el programa Short-Baseline Neutrino (SBN) y el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). El modelado preciso de estas interacciones es un insumo central y una de las principales fuentes de incertidumbre sistemática en las mediciones de oscilación. Mientras que estudios recientes de interacciones de neutrinos muonicos ($\nu_\mu$) han utilizado con éxito variables de desequilibrio cinemático para sondear las distribuciones del estado fundamental nuclear y los efectos del medio (como las interacciones de estado final, o FSI), las mediciones directas para $\nu_e$ sobre núcleos pesados como el argón (Ar) siguen siendo escasas. Las mediciones existentes de la sección eficaz de $\nu_e$ suelen estar limitadas, dependen de datos tanto de $\nu_e$ como de $\bar{\nu}_e$, o dependen de inferencias extraídas de canales de $\nu_\mu$, lo que requiere suposiciones sobre los efectos de la masa del leptón y la dinámica nuclear. En consecuencia, existe una necesidad crítica de mediciones directas de $\nu_e$-argón para establecer referencias (benchmark) y mejorar los modelos de interacción utilizados en oscilaciones de alta precisión y búsquedas de eventos raros.

Metodología
Este trabajo presenta la primera medición de la sección eficaz univariante, integrada por flujo, para interacciones de corriente cargada (CC) de $\nu_e$ sobre argón en función de variables de desequilibrio cinemático. El análisis utiliza el conjunto de datos completo de MicroBooNE, correspondiente a $1.3 \times 10^{21}$ protones sobre blanco (POT) del Booster Neutrino Beam (BNB) en Fermilab.

• Definición de la Señal: El análisis selecciona eventos con exactamente un electrón visible (energía cinética $>30$ MeV) y un protón visible (energía cinética $>50$ MeV), sin piones cargados por encima de 40 MeV y sin piones neutros ni mesones más pesados. Esto define la topología CC1e1p0$\pi$. Al nivel de la verdad (truth-level), los eventos que satisfacen esta definición de señal son predominantemente interacciones cuasielásticas (QE) (79.0%), con contribuciones de procesos multinucleones (MEC, 17.3%), interacciones resonantes y dispersión inelástica profunda. La señal reconstruida seleccionada tiene una pureza del 63.0%.
• Observables: Se miden dos conjuntos de variables de desequilibrio cinemático:
  1. Desequilibrio Cinemático Transversal (TKI): $\delta p_T$ (magnitud del momento transversal faltante) y $\delta \alpha_T$ (ángulo relativo al momento transversal del leptón). Estas variables son sensibles al movimiento de Fermi y a las FSI en el plano transversal.
  2. Desequilibrio Cinemático Generalizado (GKI): $p_n$ (magnitud del momento faltante en 3D) y $\alpha_{3D}$ (ángulo 3D). Estas extienden el TKI a tres dimensiones asumiendo que la energía visible total es igual a la magnitud del momento del neutrino incidente, ofreciendo una sensibilidad mejorada para separar las regiones ricas en FSI de aquellas dominadas por interacciones QE.
• Selección de Eventos y Reconstrucción: Los eventos candidatos se identifican mediante dos Árboles de Decisión Potenciados (BDTs) entrenados en variables topológicas y calorimétricas para distinguir la señal de los fondos (principalmente eventos $\pi^0$ y eventos $\nu_\mu$ mal reconstruidos). La selección produce 139 eventos de datos con una eficiencia del 17.3%.
• Desconvolución (Unfolding) y Comparación: Las secciones eficaces se extraen utilizando la técnica de desconvolución de la descomposición en valores singulares de Wiener (Wiener-SVD) con regularización de primera derivada. Los resultados desconvolucionados se comparan contra varias configuraciones de generadores de eventos (GENIE v3.0.6 G18T y G18, GENIE v3.6.0 AR23, NuWro v25.11, GiBUU 2025, y NEUT 6.1.4) procesadas a través del marco NUISANCE y suavizadas por matrices de respuesta del detector.

Contribuciones Clave

• Primera en su Clase: Esta es la primera medición de secciones eficaces integradas por flujo para interacciones $\nu_e$-argón en función de variables de desequilibrio cinemático.
• Sonda Directa de Efectos Nucleares: Al centrarse exclusivamente en interacciones de $\nu_e$, la medición proporciona una sonda directa de los efectos nucleares que gobiernan el estado final con una dependencia mínima de las suposiciones de reconstrucción de la energía del neutrino, complementando las inferencias realizadas a partir de datos de $\nu_\mu$.
• Referencia para Modelos (Model Benchmarking): Los resultados proporcionan una referencia exhaustiva para los generadores de eventos, probando específicamente su tratamiento de la dinámica nuclear, FSI y procesos multinucleones en el canal de $\nu_e$.

Resultados
Las secciones eficaces diferenciales medidas se compararon con las predicciones de los generadores utilizando métricas de $\chi^2$ y valores p:

• Variables de Momento ($\delta p_T$ y $p_n$): Los datos muestran un pico en el momento faltante transversal ($\delta p_T$) en el primer bin ($<160$ MeV/c), mientras que la mayoría de los modelos predicen el pico en el segundo bin. La predicción de GENIE v3.0.6 G18 sin ajustar muestra la mayor concordancia para $\delta p_T$, mientras que el modelo G18T ajustado (favorecido en análisis de $\nu_\mu$) es menos preferido. Para $\delta p_T$, NuWro se desempeña relativamente mal con un valor p de 2.1%. Para $p_n$, los datos favorecen a GiBUU 2025, mientras que NuWro queda efectivamente descartado con un valor p de 0.1%.
• Variables Angulares ($\delta \alpha_T$ y $\alpha_{3D}$): Las distribuciones de los datos para las variables angulares son generalmente más planas y se sitúan por debajo de algunas predicciones, lo que sugiere que el espacio de fase general está mínimamente afectado por las FSI en comparación con las expectativas. La predicción de GENIE G18 sin ajustar muestra nuevamente la mayor concordancia (valores p > 52% para ambos ángulos). GiBUU, NEUT y AR23 también muestran una concordancia razonable, mientras que NuWro se desempeña mal a pesar de tener un mejor desempeño en las variables angulares que en las de momento.
• Modelado de FSI: Los resultados sugieren que el modelo FSI hA2018 utilizado en GENIE funciona mejor que el tratamiento de cascada intranuclear (INC) en NuWro para estos observables. La concordancia es generalmente mejor para los observables angulares ($\delta \alpha_T, \alpha_{3D}$) que para los de momento ($\delta p_T, p_n$).
• Discrepancias: Se observan tensiones entre los datos y los modelos en regiones que se espera que estén menos dominadas por las FSI (los dos primeros bins), lo que indica la necesidad de un mejor modelado de las interacciones CCQE.

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que esta medición proporciona un punto de referencia directo y crucial para mejorar los modelos de interacción de neutrinos electrónicos, los cuales son esenciales para los programas de física de SBN y DUNE. Los autores destacan que la preferencia general por la predicción de GENIE G18 sin ajustar en la mayoría de los observables, y el fallo específico del modelo G1O7 ajustado (que funciona bien para $\nu_\mu$), sugiere limitaciones al utilizar interacciones de $\nu_\mu$ para extrapolar pesos de ajuste a las interacciones de $\nu_e$.

Los autores concluyen modestamente que, si bien la medición está limitada por las incertidumbres estadísticas y de flujo, las observaciones revelan una clara necesidad de mejorar el modelado de CCQE, particularmente en regiones menos dominadas por las FSI. Los resultados demuestran que las variables de desequilibrio cinemático son una herramienta poderosa para desentrañar los efectos nucleares en las interacciones de $\nu_e$, ofreciendo una lente más detallada que las mediciones de sección eficaz tradicionales.