First double-differential cross-section measurements in proton multiplicity and kinematics for mesonless $\nu_{\mu}$ charged-current interactions on argon using the MicroBooNE detector

Resumen Técnico: Primeras Mediciones de Secciones Eficaces Doblemente Diferenciales en Multiplicidad y Cinemática de Protones para Interacciones de Neutrinos de Muón Cargado $\nu_\mu$ Sin Mesones en Argón

Planteamiento del Problema
El modelado preciso de las interacciones neutrino-argón es una incertidumbre sistemática crítica para los experimentos actuales y futuros basados en aceleradores, específicamente el experimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) y el programa Short-Baseline Neutrino (SBN). Estos experimentos dependen de las Cámaras de Proyección Temporal de Argón Líquido (LArTPC) para reconstruir los estados finales de interacción de los neutrinos. Un desafío significativo radica en predecir el sistema hadrónico, particularmente el número (multiplicidad) y la cinemática de los protones en el estado final. La canal específica de dispersión de neutrino de muón cargado que no produce mesones y un o más protones (denotada como CC0$\pi N_p$) es la topología dominante a energías de neutrino por debajo de 1 GeV y sigue siendo relevante a energías superiores. Mediciones previas en argón han mostrado tensiones entre los datos y las predicciones de los generadores de eventos, particularmente en lo que respecta a las correlaciones entre las distribuciones cinemáticas, pero carecían de la granularidad para distinguir entre diferentes multiplicidades de protones o explorar plenamente el papel de las interacciones de estado final (FSI) y los procesos multinucleones.

Metodología
Este análisis utiliza el conjunto completo de datos recolectados por el detector MicroBooNE en el Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab) provenientes del Booster Neutrino Beam (BNB), lo que corresponde a una exposición de $1.30 \times 10^{21}$ protonos sobre blanco (POT). El detector es un LArTPC de superficie con una masa activa de 85 toneladas métricas, situado a 463 m aguas abajo del blanco.

El análisis se dirige a eventos CC0$\pi N_p$ donde el estado final contiene uno o más protones y ningún mesón. La definición de la señal requiere un muón primario con un momento $>0.10$ GeV/c y al menos un protón con un momento en el rango $[0.25, 1.00]$ GeV/c. Los protones secundarios se consideran detectables si su momento supera los 0.25 GeV/c.

Los componentes metodológicos clave incluyen:

• Selección de Eventos: El análisis emplea el kit de herramientas de reconocimiento de patrones de algoritmos múltiples Pandora para la reconstrucción. A diferencia de los análisis previos de MicroBooNE para CC0$\pi N_p$, este trabajo relaja los cortes de contención y calidad del muón para aumentar la eficiencia de selección (alcanzando un 39.3% comparado con el 12.3% en el trabajo anterior), centrándose en cambio en la multiplicidad y la cinemática de los protones.
• Observables: El estudio mide secciones eficaces doblemente diferenciales en función de:
  • La multiplicidad de protones ($N_p$).
  • Los momentos del primer hasta el cuarto protón líder ($p_{p1}$ a $p_{p4}$).
  • Los ángulos de apertura muón-protón ($\cos \theta_{\mu p_i}$) para los primeros cuatro protones.
  • La energía cinética total disponible del sistema hadrónico ($E_{avail}$).
• Desplegado (Unfolding) y Correlaciones: Para recuperar las distribuciones cinemáticas reales de los datos reconstruidos, el análisis utiliza un método de desplegado bayesiano iterativo (D'Agostini). Se adopta un enfoque por bloques, agrupando los bins que representan la misma distribución cinemática en 11 bloques distintos. Esto permite reportar simultáneamente todas las distribuciones mientras se preservan las correlaciones completas entre bloques mediante una matriz de covarianza.
• Estimación de Incertidumbre: Las incertidumbres sistemáticas se evalúan utilizando un enfoque de múltiples universos, variando los parámetros de simulación para la predicción del flujo, el modelado de la interacción neutrino-núcleo (incluyendo el reponderado a NuWro para abarcar diferencias de modelos), la reinteracción de hadrones y la respuesta del detector.

Contribuciones Clave

• Primera Medición de Cinemática Dependiente de la Multiplicidad: Este artículo presenta las primeras mediciones de secciones eficaces doblemente diferenciales de interacciones CC0$\pi N_p$ en argón como una función de la multiplicidad de protones y la cinemática de los protones líderes y secundarios.
• Comparación Exhaustiva de Generadores: Las secciones eficaces desplegadas se comparan con las predicciones de varios generadores de eventos ampliamente utilizados: GENIE (configuraciones MicroBooNE tune y AR23 con varios modelos de FSI), NuWro (con y sin FSI ajustada) y NEUT, y GiBUU (con y sin correcciones de medio).
• Liberación de Datos: El análisis proporciona una liberación de datos exhaustiva que incluye las secciones eficaces medidas por bin, las incertidumbres totales, las predicciones de los generadores y las matrices de covarianza completas que describen las incertidumbres correlacionadas a través de los 183 bins.

Resultados
La comparación entre los datos y las predicciones de los generadores revela discrepancias significativas, resaltando la sensibilidad de estos observables al modelado de las interacciones de estado final:

• Acuerdo Global: Ningún generador proporciona una descripción completamente adecuada de todo el conjunto de datos. El mejor acuerdo global se logra con GiBUU 2025 con correcciones de medio a las secciones eficaces nucleón-nucleón ($\chi^2/ndof = 428.8/145$), seguido por el GiBUU por defecto y la configuración GENIE AR23 hA.
• Sensibilidad a FSI: Los resultados demuestran una fuerte sensibilidad al modelado de FSI. Las variaciones en los modelos de FSI dentro de la configuración GENIE AR23 producen un amplio rango de valores de $\chi^2$ (desde 488.1 hasta 1200.6), indicando que el tratamiento de la cascada nuclear es un factor principal de las discrepancias entre datos y modelos.
• Discrepancias Específicas:
  • Multiplicidad de Protones: Se observan desacuerdos significativos en las distribuciones de multiplicidad de protones, particularmente para ángulos de apertura hacia atrás y la cinemática de protones secundarios.
  • Ángulo de Apertura del Protón Líder: La mayoría de los generadores subestiman la sección eficaz para eventos de un solo protón ($N_p=1$) en ángulos hacia atrás ($\cos \theta_{\mu p_1} < 0$).
  • Especificidades de los Generadores: NEUT sobreestima sistemáticamente los eventos de múltiples protones ($N_p \ge 2$) en relación con los eventos de un solo protón y sobreestima los sistemas hadrónicos de alta energía. NuWro tiende a subestimar la sección eficaz en momentos bajos. La configuración AR23 INCL subestima sistemáticamente el rendimiento total de protones.
• Protones Secundarios: Mientras que las distribuciones de los protones líderes muestran una fuerte dependencia del modelo, las distribuciones angulares de los protones secundarios (2º, 3º, 4º) son generalmente bien reproducidas por todos los generadores, lo que sugiere que la isotropía de estas partículas es una característica genérica de la reinteracción intranuclear menos sensible a modelos de cascada específicos.

Significancia
El artículo afirma que estas mediciones proporcionan un punto de referencia único para probar y refinar el modelado de las interacciones de estado final y los procesos multinucleones en los generadores de eventos de neutrinos. Los resultados abordan directamente las necesidades de modelado de los programas de física de DUNE y SBN, que dependen de una reconstrucción precisa de los sistemas hadrónicos para la estimación de la energía del neutrino y la clasificación de eventos. Los autores concluyen que, si bien el marco de transporte BUU (utilizado en GiBUU) ofrece actualmente la descripción más completa, persisten deficiencias de modelado significativas, particularmente en el tratamiento de los estados finales de un solo protón a ángulos de apertura amplios y la fuerza de la cascada nuclear. La liberación exhaustiva de datos tiene como objetivo permitir que la comunidad de generadores utilice estos resultados para el ajuste y la validación.