Probing Nuclear Effects with Transverse Kinematic Imbalance in Muon-neutrino Induced Charged-Current $\pi^0$ Production on Argon with the MicroBooNE Detector

Résumé technique : Sondage des effets nucléaires par le déséquilibre cinématique transversale dans la production de $\pi^0$ induite par des neutrinos muoniques par courant chargé sur l'argon

Énoncé du problème
Les mesures de précision des oscillations de neutrinos dans les expériences à venir, telles que le Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Hyper-Kamiokande et le programme Short-Baseline Neutrino, reposent sur la reconstruction précise de l'énergie du neutrino incident à partir des particules de l'état final. Cette reconstruction est tributaire d'une modélisation fiable des interactions neutrino-noyau. Une source importante d'incertitude systématique provient des effets nucléaires, en particulier les interactions de l'état final (FSI), qui modifient les impulsions et les multiplicités des particules émergeant du noyau. Dans la gamme d'énergie de 1 à 4 GeV, la production de pions résonante (dominée par la résonance $\Delta(1232)$) est un canal d'interaction primaire. Cependant, les modèles existants peinent à décrire simultanément l'interaction complexe entre l'excitation de la résonance, la désintégration et la propagation hadronique à travers le milieu nucléaire. Plus précisément, la production de pions neutres ($\pi^0$) constitue un bruit de fond critique pour les recherches d'apparition de neutrinos électroniques en raison de leur désintégration en photons, qui peuvent imiter les signatures électroniques. Il est nécessaire d'obtenir des mesures à haute statistique sur des cibles d'argon pour contraindre ces modèles, car les données antérieures sur le carbone (par exemple, de MINERvA) peuvent ne pas capturer pleinement la dynamique nucléaire spécifique à l'argon.

Méthodologie
La collaboration MicroBooNE présente une mesure des interactions de neutrinos muoniques à courant chargé (CC) sur l'argon résultant en un état final composé d'un muon, d'un $\pi^0$ et d'au moins un proton ($\nu_\mu$CCNp1$\pi^0$). L'analyse utilise l'ensemble complet des données du faisceau de neutrinos Booster de MicroBooNE (BNB), correspondant à $1,10 \times 10^{21}$ protons-sur-cible (POT).

Les composantes méthodologiques clés incluent :

• Sélection d'événements : Les événements sont classés comme entièrement contenus (FC) ou partiellement contenus (PC). Les critères de sélection exigent un muon reconstruit avec une énergie cinétique $T_\mu > 40$ MeV, au moins un proton avec $T_p > 60$ MeV, et exactement un $\pi^0$ reconstruit (identifié via des gerbes $\gamma\gamma$). Les événements contenant des pions chargés ou des mésons lourds au-dessus de 40 MeV sont rejetés pour supprimer les bruits de fond de diffusion inélastique profonde (DIS).
• Reconstruction : L'analyse utilise un algorithme de diffusion coulombienne multiple (MCS) mis à jour pour les muons partiellement contenus et une conversion charge-énergie raffinée pour les gerbes électromagnétiques. L'efficacité de sélection est de 12,7 % avec une pureté de 75,6 %.
• Déséquilibre cinématique transversale (TKI) : L'étude se concentre sur les variables TKI, qui caractérisent le déséquilibre d'impulsion dans le plan transverse à la direction du faisceau de neutrinos. Ces variables ($\delta p_T$, $\delta \alpha_T$, $\delta p^x_T$, $\delta p^y_T$) sont sensibles aux effets nucléaires tels que le mouvement de Fermi et les FSI. L'impulsion hadronique dominante est définie par $\vec{p}_h = \vec{p}_{\pi^0} + \vec{p}_p$.
• Cadre d'analyse : Les sections efficaces différentielles sont extraites à l'aide d'une approche de dépliage par blocs (Wiener-SVD) afin de préserver les corrélations entre les observables. Les incertitudes systématiques liées au flux, à la modélisation de l'interaction et à la réponse du détecteur sont propagées via des matrices de covariance.
• Validation des modèles : Des tests de qualité d'ajustement (GoF) sont effectués dans l'espace reconstruit à l'aide de contraintes conditionnelles dérivées d'observables bien mesurées pour accroître la sensibilité à la modélisation erronée.
• Simulation : Les prédictions sont comparées à plusieurs générateurs d'interactions de neutrinos : GENIE v3.0.6 (MicroBooNE tune G18T et DUNE baseline AR23), NuWro 25.11, NEUT v5.4.0.1 et GiBUU 2025. Une procédure de repondération mise à jour est appliquée à la simulation GENIE pour corriger une surprédiction de la section efficace d'échange de charge (CEX) des pions.

Contributions clés

• Première mesure sur l'argon avec TKI : Ce travail fournit la première mesure des interactions de type résonance sur l'argon utilisant les variables de déséquilibre cinématique transversale.
• Caractérisation cinématique complète : L'article rapporte dix mesures de sections efficaces différentielles simples couvrant la cinématique du muon, du $\pi^0$ et du proton dominant, ainsi que les quatre observables TKI.
• Définition de signal améliorée : En exigeant au moins un proton dans l'état final, l'analyse augmente la fraction d'interactions de résonance baryonique dans l'échantillon sélectionné par rapport aux précédentes mesures de $\pi^0$ inclusives.
• Statistiques et pureté accrues : L'utilisation de l'ensemble complet des données et de critères de sélection mis à jour permet d'obtenir des statistiques nettement plus élevées et une pureté de signal améliorée (75,6 %) par rapport aux résultats antérieurs de MicroBooNE.
• Traitement systématique des FSI : L'analyse intègre un repondage dédié du modèle de transport de hadrons intracellulaires de GENIE pour traiter les écarts dans les taux d'échange de charge des pions.

Résultats

• Section efficace : La section efficace totale intégrée par le flux est mesurée à $1,62 \times 10^{-38}$ cm$^2$/Ar.
• Comparaison des modèles :
  • Distributions cinématiques : Les distributions d'énergie cinétique des particules de l'état final sont généralement bien reproduites par les générateurs, NEUT montrant le meilleur accord global pour les variables individuelles. Cependant, des écarts de forme significatifs sont observés dans les distributions angulaires. Tous les générateurs surprédisent les muons progressant vers l'avant (potentiellement liés à la modélisation du blocage de Pauli) et sous-prédisent les $\pi^0$ et les protons progressant vers l'avant.
  • Observables TKI : Les données présentent une distribution de déséquilibre d'impulsion transversale ($\delta p_T$) plus étroite que ce que prédisent la plupart des générateurs, suggérant une surestimation de l'élargissement de l'impulsion transversale dans les modèles. De plus, la distribution de l'angle d'ouverture transverse ($\delta \alpha_T$) montre que les modèles sous-estiment les données aux grands angles (proches de 180°), une région associée à la décélération du système hadronique due aux FSI.
  • Accord global : Aucun générateur ne parvient à un accord uniformément bon sur l'ensemble des dix observables. En considérant la matrice de covariance complète, GENIE (G18T) offre le meilleur accord global, suivi de près par NEUT. Le modèle GiBUU T2 inmed présente un désaccord substantiel, particulièrement pour les observables du $\pi^0$.
• Comparaison avec MINERvA : Bien que les deux mesures sur l'argon et le carbone montrent que les modèles surprédisent la largeur de la distribution $\delta p^x_T$, les données de MicroBooNE sur l'argon révèlent une préférence plus marquée pour que le vecteur de déséquilibre soit orienté à l'opposé de la direction du muon (grand $\delta \alpha_T$) que ce qui est observé dans les données de carbone de MINERvA.

Signification
L'article affirme que cette mesure fournit des contraintes strictes sur les modèles de production de résonance et de transport hadronique dans les noyaux. Les résultats soulignent que les modèles d'interaction actuels manquent de la précision nécessaire pour reproduire simultanément tous les observables cinématiques et TKI mesurés. Plus précisément, les écarts dans les variables TKI suggèrent des déficiences dans la modélisation de la corrélation entre l'amplitude et la direction du déséquilibre d'impulsion transversale, pointant vers des problèmes non résolus dans la description de la redespersions hadronique et des effets nucléaires. Ces conclusions sont essentielles pour réduire les incertitudes systématiques dans les futures expériences d'oscillations de neutrinos à longue ligne de base, en particulier DUNE, où la production de résonance est un canal d'interaction dominant. Ce travail constitue une étape nécessaire vers une modélisation des interactions améliorée, requise pour la physique de précision.