Measurements of transverse kinematic imbalance in muon neutrino charged-current interactions on argon with a single proton and no pions in the final state with SBND

Resumen Técnico: Mediciones del Desequilibrio Cinemático Transversal en Interacciones de Neutrinos Muónicos de Corriente Cargada en Argón con SBND

Problema y Motivación
Los experimentos de neutrinos con aceleradores extraen parámetros de oscilación a partir de las tasas y las distribuciones de energía de las interacciones de neutrinos detectadas. En el régimen de pocos GeV, la interpretación de estos espectros se ve complicada por canales de interacción competitivos y efectos nucleares inherentes a blancos pesados como el argón. Estos efectos nucleares, incluyendo el estado fundamental nuclear y las interacciones de estado final (FSI), alteran la cinemática de las partículas finales, introduciendo incertidumbres sistemáticas significativas para los programas de larga línea de base (por ejemplo, T2K, NOvA) y planteando desafíos para los experimentos de próxima generación como DUNE y Hyper-Kamiokande.

Si bien el estado final de la interacción $\nu_\mu$ de corriente cargada cuasielástica de tipo cuasielástica (CCQE-like) (definido como un solo muón y un solo protón sin piones, denotado como $\nu_\mu$CC1p0$\pi$) ofrece una firma experimental clara, se requieren mediciones precisas de su cinemática para sondear los modelos nucleares. Mediciones previas en argón por MicroBooNE e ICARUS, y en otros blancos por MiniBooNE, T2K y MINERvA, han proporcionado puntos de referencia, pero se necesitan mediciones multidiferenciales de alta estadística en argón para restringir aún más los modelos de interacción.

Metodología
Este trabajo presenta la primera medición de la sección eficaz de neutrino-argón desde el Detector de Cercanía de Línea de Base Corta (SBND) en Fermilab. El análisis utiliza un conjunto de datos correspondiente a $8.8 \times 10^{19}$ protones sobre el blanco (POT) del Haz de Neutrinos del Booster (BNB), con una energía media de neutrino de $\langle E_\nu \rangle = 0.75$ GeV.

• Detector y Simulación: El detector SBND es una cámara de proyección temporal de argón líquido (LArTPC) de 112 toneladas. La simulación y la reconstrucción se realizaron utilizando el marco LArSoft. Las interacciones de neutrinos se simularon con GENIE v3.4.0 (AR23 20i 00 000), rayos cósmicos con CORSIKA, y la propagación de partículas con Geant4.
• Selección de Eventos: La señal se define como una interacción de neutrino muónico de corriente cargada que produce exactamente un muón ($0.22 < p_\mu < 1.0$ GeV/c) y exactamente un protón ($0.3 < p_p < 1.0$ GeV/c), sin protones adicionales por encima de 0.3 GeV/c, sin piones cargados por encima de 70 MeV/c, y sin piones neutros ni mesones más pesados. Un procedimiento de selección secuencial que involucra el rechazo de rayos cósmicos, selección de topología (dos trazas) e identificación de partículas (PID) basada en calorimetría y cinemática produjo 12,804 candidatos de señal con una pureza del 91%.
• Variables Cinemáticas: El análisis se centra en las variables de Desequilibrio Cinemático Transversal (TKI), que cuantifican el desequilibrio de momento en el plano transverso al haz de neutrinos:
  • $\delta p_T$: Magnitud del vector de momento faltante transversal ($\vec{p}_\mu^T + \vec{p}_p^T$).
  • $\delta \alpha_T$: Ángulo entre el momento transverso del muón y el momento faltante transversal.
  • $\delta \phi_T$: Ángulo azimutal entre los momentos transversos del muón y del protón.
• Desconvolución y Sistemáticas: Las secciones eficaces diferenciales se extrajeron mediante la desconvolución Wiener-SVD con una matriz de regularización de segunda derivada. Las incertidumbres sistemáticas se evaluaron reponderando las simulaciones para flujo, modelos de interacción (GENIE), interacciones secundarias (Geant4Reweight), respuesta del detector y factores de normalización. Se aplicó una restricción condicional basada en datos para validar la predicción del modelo de la cinemática del protón dada la cinemática del muón.

Contribuciones Clave y Resultados
El artículo reporta las secciones eficaces diferenciales únicas promediadas por el flujo para interacciones $\nu_\mu$CC1p0$\pi$ en argón como funciones de $\delta p_T$, $\delta \alpha_T$ y $\delta \phi_T$.

• Comparación Datos-MC: Los datos seleccionados muestran acuerdo con la predicción nominal de GENIE tanto en normalización como en forma dentro de las incertidumbres evaluadas. La incertidumbre sistemática total en la sección eficaz promediada por el flujo es del 8.7%, dominada por el flujo de neutrinos (6.5%).
• Discriminación de Modelos: La medición de alta estadística discrimina fuertemente entre las predicciones de los generadores de eventos. Ninguno de los modelos comparados (GENIE AR23, GiBUU 2025, NEUT v6.1.4) describe satisfactoriamente las tres variables TKI simultáneamente.
  • $\delta p_T$: Todos los modelos fallan en proporcionar una descripción satisfactoria. GENIE AR23 subestima los datos en las regiones de pico e intermedia mientras que sobreestima la cola alta. Los modelos basados en Hartree-Fock (HF) dentro de GENIE muestran un acuerdo mejorado en esta variable, pero degradan la descripción de otras variables.
  • $\delta \alpha_T$: La mayoría de los generadores describen la medición razonablemente bien, aunque GiBUU predice una pendiente más pronunciada de lo observado, y los modelos HF predicen una pendiente demasiado plana.
  • $\delta \phi_T$: La mayoría de los generadores describen esta variable bien, aunque las variantes del factor de forma axial de GENIE AR23 muestran discrepancias significativas.
• Perspectivas de Física Nuclear: Las discrepancias, particularmente en $\delta p_T$, sugieren que los generadores actuales tienen deficiencias en el modelado de la física nuclear subyacente (por ejemplo, correlaciones de nucleones, FSI) más que un desajuste general de la cinemática de estado final. Los resultados indican que diferentes variables TKI sondean aspectos complementarios del modelo de interacción que aún no son capturados completamente por las simulaciones actuales.

Significancia
Este trabajo establece nuevos puntos de referencia para el modelado de interacciones neutrino-argón. Al demostrar que los generadores de eventos actuales no pueden describir simultáneamente el conjunto completo de variables TKI, el artículo destaca áreas específicas donde el modelado de la física nuclear requiere mejoras. Estos resultados son cruciales para reducir las incertidumbres sistemáticas en las mediciones de oscilación y para el potencial de descubrimiento de futuros experimentos de alta precisión. El artículo señala que con un tamaño de conjunto de datos anticipado de $10 \times 10^{20}$ POT, SBND continuará entregando mediciones multidiferenciales de alta estadística necesarias para agudizar los detalles del modelado de las interacciones neutrino-núcleo.