Flux-integrated inclusive and pionless cross sections for charged-current neutrino scattering off ${}^{40}\text{Ar}$ at energies available in the MicroBooNE experiment

Résumé Technique : Sections efficaces inclusives et sans pion intégrées au flux pour la diffusion de neutrinos à courant chargé sur l' $^{40}$Ar

Énoncé du Problème
Une connaissance précise des sections efficaces de diffusion noyau-neutrino au niveau du pourcentage est cruciale pour les expériences actuelles et de prochaine génération sur l'oscillation des neutrinos (par exemple, SBN, DUNE, Hyper-Kamiokande). Bien que des données étendues existent pour le carbone et l'oxygène, les données pour l'argon restent relativement rares. Les modèles théoriques et les générateurs d'événements existants ont démontré une incapacité à décrire les données expérimentales avec une grande précision, créant un besoin de benchmarking détaillé. Plus précisément, il existe une exigence de validation des cadres théoriques par rapport aux mesures de sections efficaces inclusives et semi-inclusives (sans pion) intégrées au flux pour l'argon dans la gamme d'énergie du faisceau de neutrinos Booster (BNB), où les processus de diffusion quasi-élastique à courant chargé (CCQE) et de courants de mésons d'échange (MEC) prédominent.

Méthodologie
Les auteurs calculent les sections efficaces mono- et bi-différentielles intégrées au flux pour la diffusion de $\nu_\mu$ sur l' $^{40}$Ar en utilisant l'approximation de l'onde imparfaite relativiste (RDWIA) combinée aux courants de mésons d'échange (MEC) de type deux particules-deux trous (2p-2h).

• Cadre Théorique :
  • Canal CCQE : Modélisé par la RDWIA, qui traite les états de nucléons liés via des solutions auto-cohérentes de l'équation de Dirac au sein d'un modèle de particules indépendantes (IPSM) basé sur un lagrangien de champ moyen relativiste ($\sigma-\omega$). Les interactions de l'état final (FSI) sont prises en compte à l'aide d'un potentiel optique relativiste phénoménologique (paramétrisation EDAD1). Les corrélations nucléon-nucléon à courte portée sont estimées pour rendre compte des composantes de haute impulsion dans la cible.
  • Canal MEC : Les contributions 2p-2h sont calculées en utilisant l'approche SuSA-MEC, incorporant des paramétrisations précises dérivées de calculs MEC exacts. Cela inclut les mécanismes d'échange d'un pion (composantes de type mouettes, pion en vol, pôle de pion et pôle delta).
  • Résonance et DIS : Les contributions de la production de résonance (RES) et de la diffusion inélastique profonde (DIS) sont évaluées à l'aide du générateur d'événements GENIE (version 3.04.00) avec la configuration du modèle G18-10a.
  • Facteurs de Forme : Les facteurs de forme vectoriels utilisent la paramétrisation MMD, tandis que le facteur de forme axial emploie une paramétrisation dipolaire avec une masse axiale $M_A = 1,2$ GeV, une valeur précédemment déterminée à partir des données de MiniBooNE.
• Traitement des Données : Les prédictions théoriques sont intégrées au flux sur le spectre du BNB et « lissées » à l'aide de la matrice d'unfolding ($A_c$) dérivée des données de MicroBooNE afin de faciliter la comparaison directe avec les résultats expérimentaux.

Contributions Clés

1. Validation de RDWIA+MEC pour l'Argon : Cette étude fournit un calcul complet des sections efficaces différentielles inclusives et sans pion (CC0$\pi$) intégrées au flux pour l'argon, spécifiquement adaptées aux conditions expérimentales de MicroBooNE.
2. Comparaison des Effets Nucléaires : L'article réalise une analyse comparative des sections efficaces différentielles en fonction de l'énergie cinétique du muon pour le carbone (MiniBooNE) et l'argon (MicroBooNE), mises à l'échelle par le nombre de neutrons de la cible. Cela vise à isoler les effets du milieu nucléaire entre les deux noyaux.
3. Benchmarking : Ce travail sert de référence pour affiner les générateurs d'événements de neutrinos et les modèles théoriques, répondant à la divergence entre les modèles existants et les données de haute précision.

Résultats

• Sections Efficaces Inclusives : Les sections efficaces bi-différentielles ($d^2\sigma/d\varepsilon_\mu d\cos\theta$) et mono-différentielles ($d\sigma/d\varepsilon_\mu$ et $d\sigma/d\cos\theta$) calculées montrent un bon accord avec les données de MicroBooNE dans les incertitudes expérimentales (qui dépassent 10 %).
  • La contribution CCQE domine, représentant environ 50 % de la section efficace totale, avec MEC contribuant à ~16 %, RES à ~26 % et DIS à ~8 %.
  • La fraction CCQE augmente avec l'énergie du muon, atteignant ~65 % au-dessus de 1,2 GeV.
  • Des divergences mineures sont notées : le modèle surestime légèrement les données dans la plage $0,8 < \cos\theta < 0,9$ et les sous-estime dans la plage $0,9 < \cos\theta < 1,0$. Une légère sous-estimation systématique est observée pour les énergies de muon $E_\mu > 0,8$ GeV.
• Sections Efficaces Sans Pion (CC0$\pi$) : Pour la diffusion sans pion, le modèle prédit que les interactions de type CCQE (CCQE + MEC) constituent la contribution dominante. Les sections efficaces bi-différentielles ($d^2\sigma/dp_\mu d\cos\theta$) et mono-différentielles ($d\sigma/dp_\mu$ et $d\sigma/d\cos\theta$) calculées concordent généralement avec les données de MicroBooNE compte tenu des larges incertitudes expérimentales (dépassant 15 %).
• Comparaison Carbone vs Argon : Lors de la comparaison des sections efficaces sans pion par neutron pour le carbone et l'argon, la différence théorique calculée est d'environ 6 %, montrant une faible dépendance vis-à-vis de l'énergie du muon. Cependant, la comparaison des données expérimentales de MiniBooNE et MicroBooNE montre une cohérence au sein de leurs incertitudes respectives (qui dépassent 10 %). Par conséquent, la précision expérimentale actuelle est insuffisante pour estimer quantitativement la différence des effets nucléaires entre les deux noyaux.

Signification et Revendications
L'article affirme que l'approche RDWIA+MEC décrit avec succès les sections efficaces mono- et bi-différentielles mesurées pour l'argon dans les incertitudes expérimentales. Les auteurs soulignent que bien que les données actuelles valident le modèle, la précision des mesures existantes (incertitudes >10 %) empêche une extraction quantitative définitive des différences d'effets nucléaires entre le carbone et l'argon.

Les auteurs concluent que pour que les futures expériences (telles que celles prévues pour le détecteur SAND de DUNE) puissent étudier avec succès les différences d'effets nucléaires entre les cibles de carbone et d'argon à des énergies inférieures à 2 GeV, il est crucial de mesurer les sections efficaces différentielles avec une précision supérieure à 6 %. Ce travail souligne la nécessité de mesures de haute précision pour affiner les modèles de sections efficaces multi-cibles et minimiser les incertitudes systématiques associées aux effets du milieu nucléaire dans les futures analyses d'oscillation de neutrinos.