First double-differential measurement of pionless charged-current muon neutrino interactions using kinematic imbalance observables on carbon and oxygen with the T2K experiment

Résumé technique : Première mesure de la section efficace doublement différentielle des interactions de neutrinos muoniques à courant chargé sans pion sur le carbone et l'oxygène

Problématique et motivation
Les expériences actuelles et futures de neutrinos à longue ligne de base, telles que T2K et Hyper-Kamiokande, reposent sur des mesures précises des oscillations de neutrinos en comparant les spectres observés aux prédictions théoriques. Aux énergies sub-GeV (~0,6 GeV), le signal est dominé par les interactions à courant chargé sans pion (CC0$\pi$). Les techniques de reconstruction standard supposent une diffusion quasi-élastique (QE) sur un nucléon libre au repos ; cependant, les effets nucléaires — incluant le mouvement de Fermi, les corrélations multi-nucléons (courte/longue portée) et les interactions de l'état final (FSI) — violent cette supposition. Les FSI peuvent absorber les pions issus des canaux de production, migrant ainsi des événements dans l'échantillon CC0$\pi$ et déformant la reconstruction de l'énergie du neutrino.

Les mesures existantes sur l'oxygène, la cible principale de Super-Kamiokande et Hyper-Kamiokande, sont rares et limitées à la cinématique leptonique, manquant de sensibilité aux états finaux hadroniques nécessaires pour sonder les effets nucléaires complexes. Par conséquent, les analyses d'oscillation de T2K extrapolent actuellement les résultats basés sur le carbone du détecteur proche (ND280 vers l'oxygène. Cette extrapolation introduit une dépendance significative au modèle, les générateurs d'interactions couramment utilisés prédisant des rapports de section efficace carbone/oxygène divergents jusqu'à ~10 %. Pour résoudre ces incertitudes de modélisation et réduire les erreurs systématiques sur les paramètres d'oscillation ($\theta_{23}$, $\Delta m^2_{32}$, $\delta_{CP}$), des mesures directes sur plusieurs cibles utilisant des observables de déséquilibre cinématique sont nécessaires.

Méthodologie
Ce travail présente la première mesure de la section efficace doublement différentielle des interactions $\nu_\mu$ CC0$\pi$ avec au moins un proton dans l'état final ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) sur des cibles de carbone et d'oxygène. L'analyse utilise les données collectées par le détecteur proche ND280 de l'expérience T2K entre 2010 et 2017, correspondant à une exposition de $11,61 \times 10^{20}$ protons sur cible (POT).

• Cibles et détection : L'analyse emploie deux détecteurs de scintillateur à segmentation fine (FGD) au sein de ND280. Le FGD1 sert de cible de carbone, tandis que le FGD2, composé de couches alternées de scintillateur plastique et d'eau, fournit un mélange de cibles de carbone et d'oxygène. Les particules chargées sont tracées par les chambres à projection temporelle (TPC) environnantes.
• Sélection du signal : L'échantillon de signal consiste en des interactions $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np dans les volumes fiduciaires du FGD1 et du FGD2. Des contraintes cinématiques sont appliquées au muon sortant ($0,225 < p_\mu < 10$ GeV/c, $\cos\theta_\mu > -0,6$) et au proton principal ($0,525 < p_p < 1$ GeV/c, $\cos\theta_p > 0,3$) pour assurer une bonne acceptation du détecteur. L'échantillon sélectionné contient 9 469 candidats avec une composition estimée de 70,8 % d'interactions de carbone et 22,3 % d'oxygène. La pureté globale du signal est de 74,6 %.
• Observables de déséquilibre cinématique (KI) : Pour distinguer les effets nucléaires, la mesure est effectuée en fonction de trois observables de KI :
  1. Le déséquilibre de quantité de mouvement transverse ($\delta p_T$).
  2. L'angle de boost transverse ($\delta \alpha_T$).
  3. La quantité de mouvement initiale inférée du nucléon ($p_N$), qui incorpore des informations longitudinales dérivées de la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.
     L'analyse rapporte des sections efficaces doublement différentielles dans deux espaces de phase complémentaires : $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ et $p_N$–$\cos\theta_\mu$.
• Stratégie d'analyse : Les sections efficaces sont extraites à l'aide d'une méthode de dépliage par ajustement de modèles (template-fit) avec le logiciel GUNDAM. Le modèle d'ajustement inclut des paramètres de normalisation libres pour tenir compte des écarts données-MC. Les incertitudes systématiques provenant de la simulation du détecteur, de la modélisation du flux et de la modélisation des interactions sont incluses, la modélisation des interactions étant la source dominante.
• Comparaison de modèles : Les sections efficaces mesurées sont comparées aux prédictions de quatre générateurs d'événaux de neutrinos : NEUT v6.1.0, GENIE v3.6.2 (utilisant deux configurations : G18 10b et AR23 20i), NuWro v25.03.1, et GiBUU v2025p3. Ces modèles emploient diverses approches pour les états initiaux des nucléons (Fonction Spectrale vs Gaz de Fermi Local) et les interactions multi-nucléons (Valencia vs SuSAv2), ainsi que pour les FSI (Cascade Intranucléaire vs théorie du transport).

Contributions clés

• Première mesure conjointe : Il s'agit de la première mesure doublement différentielle des sections efficaces $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np sur carbone et oxygène simultanément.
• Sensibilité directe : En mesurant les deux cibles, ce travail offre une sensibilité directe aux corrélations entre le carbone et l'oxygène, un élément crucial pour réduire les incertitudes systématiques des expériences utilisant des noyaux cibles multiples.
• Sondage des effets nucléaires : L'utilisation des observables $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ et $p_N$–$\cos\theta_\mu$ permet de séparer la dynamique de l'état initial (mouvement de Fermi) des interactions de l'état final et des corrélations multi-nucléons.
• Spécificités de l'oxygène : La mesure offre une sonde unique des effets nucléaires dans l'oxygène, un noyau « doublement magique », qui a été historiquement moins étudié que le carbone.

Résultats

• Incertitudes : Les sections efficaces mesurées présentent des incertitudes relatives totales allant de 15 % à 80 %, dominées par les fluctuations statistiques (9 %–70 %). Parmi les sources systématiques, la modélisation des interactions neutrino-noyau contribue à hauteur de 8 %–30 %.
• Performance des modèles :
  • NEUT et NuWro : Ces modèles, qui utilisent l'état fondamental de la Fonction Spectrale (SF), le modèle de Valencia pour les interactions 2p2h et des FSI basées sur la cascade, présentent le meilleur accord global avec les données, produisant les p-valeurs les plus élevées à travers les espaces de phase mesurés.
  • GENIE et GiBUU : Ces générateurs présentent des tensions plus marquées avec les données, particulièrement pour le carbone. Cependant, la configuration GENIE AR23 20i (incorporant les corrélations à courte portée et le modèle SuSAv2) atteint une meilleure p-valeur (~0,13) dans l'espace $p_N$–$\cos\theta_\mu$ par rapport à sa contrepartie G18 10b.
  • Spécificités de GiBUU : GiBUU décrit avec précision la région à grand angle ($\delta \alpha_T > 135^\circ$) où les FSI sont prédominantes, mais échoue à capturer la région à faible $\delta \alpha_T$ dominée par les interactions CCQE, probablement en raison d'un $\delta p_T$ global sous-estimé.
• Écarts : Tous les générateurs testés sous-prédisent les données dans la région intermédiaire de $\delta p_T$ (0,2–0,5 GeV/c) pour le carbone et montrent des déficits similaires, bien que moins prononcés, pour l'oxygène dans des régions angulaires spécifiques. Un déficit comparable apparaît dans la plage intermédiaire de $p_N$ (0,2–0,4 GeV/c) pour les muons dirigés vers l'avant. Ces régions sont sensibles aux corrélations à courte portée (SRC) et aux interactions multi-nucléons (npnh), suggérant que les implémentations actuelles de ces processus sont insuffisantes. De plus, pour l'oxygène, les données montrent une section efficace plus élevée près du pic de $p_N$ à de grands angles de diffusion des muons, indiquant un besoin de traitement raffiné de l'état nucléaire initial dans cet espace de phase.

Signification
L'article affirme que ces résultats constituent une sonde novatrice et hautement sensible des effets nucléaires, incluant le mouvement initial des nucléons, les interactions multi-nucléons et les FSI. La mesure conjointe offre un test direct de la modélisation unifiée de la diffusion neutrino-noyau sur le carbone et l'oxygène, ce qui est directement pertinent pour les programmes de physique de T2K et Hyper-Kamiokande. Les conclusions mettent en évidence des directions spécifiques où des améliorations de la modélisation des interactions neutrino-noyau sont nécessaires, particulièrement concernant la description des SRC et des interactions multi-nucléons. Bien que la mesure soit actuellement limitée par les incertitudes statistiques, la méthodologie et les perspectives établies ici jettent les bases d'études plus précises des effets nucléaires en utilisant les futures données de T2K issues du détecteur ND280 amélioré.