Signal selection and model-independent extraction of pionless charged-current muon neutrino cross section using double-differential kinematic imbalance observables on carbon and oxygen with the T2K experiment

Résumé technique : Sélection du signal et extraction indépendante du modèle de la section efficace de neutrinos muoniques par courant chargé sans pion

Énoncé du problème
Les expériences actuelles et futures basées sur des accélérateurs, telles que T2K, NOvA, Hyper-Kamiokande et DUNE, visent des mesures de précision des paramètres d'oscillation des neutrinos. Cependant, l'incertitude systématique dominante dans ces mesures provient de la modélisation des interactions neutrino-noyau. Les « effets nucléaires » — incluant les états initiaux des nucléons, les corrélations de nucléons et les interactions de l'état final (FSI) — déforment le spectre d'énergie du neutrino reconstruit, ce qui peut biaiser l'extraction des paramètres d'oscillation. Les modèles d'interaction existants échouent souvent à décrire de manière adéquate les données à travers diverses régimes cinématiques. Pour y remédier, il est crucial de disposer de mesures de section efficace de haute précision et indépendantes des modèles, capables d'isoler et de contraindre ces effets nucléaires.

Méthodologie
Cette analyse présente la première mesure conjointe des interactions de neutrinos muoniques par courant chargé avec zéro pion et au moins un proton ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) sur des cibles de carbone et d'oxygène en utilisant le détecteur ND280 de T2K. L'étude utilise des données collectées entre 2010 et 2017, correspondant à $11,61 \times 10^{20}$ protons sur cible (POT).

• Définition et sélection du signal : Le signal est défini comme des interactions produisant un muon, aucun pion et au moins un proton reconstruit provenant du sommet de l'interaction. L'analyse emploie un algorithme de sélection d'événements sophistiqué appliqué aux volumes fiduciaires des détecteurs à grains fins (FGD1 et FGD2). L'échantillon est subdivisé selon les sous-composants du détecteur (trajectoires TPC vs FGD) et le matériau cible (le FGD2 est en outre divisé en « FGD2X » et « FGD2Y » pour améliorer la pureté de l'oxygène et du carbone, respectivement).
• Observables d'imbalance cinématique (KI) : Pour renforcer la sensibilité aux effets nucléaires, la section efficace est mesurée de manière différentielle dans deux espaces bi-dimensionnels à l'aide d'observables KI :
  1. $\delta p_T$ vs $\delta \alpha_T$ : Imbalance de l'impulsion transverse et angle de boost transverse.
  2. $p_N$ vs $\cos \theta_\mu$ : Impulsion initiale inférée et angle de diffusion du muon.
     Ces observables exploitent les corrélations entre les leptons sortants et les hadrons pour sonder le mouvement initial, les corrélations multi-nucléons et les FSI.
• Contrôle des fonds : Les bruits de fond dominants, principalement les interactions $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ et CC1$\pi^0$ où les pions sont manqués, sont gérés via une approche basée sur les données. Un échantillon de contrôle dédié, enrichi en interactions $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ (nécessitant des électrons de Michel ou des traces de pions identifiées), est utilisé pour contraindre la normalisation du bruit de fond lors de l'ajustement.
• Cadre d'extraction : La section efficace est extraite à l'aide d'une méthode de dépliage par ajustement de modèles (template-fit) avec le logiciel GUNDAM. L'ajustement utilise une fonction de vraisemblance binnée comparant les données à des modèles de Monte Carlo (MC). Les paramètres de l'ajustement incluent des facteurs de normalisation de signal non contraints pour chaque bin de l'observable réelle et des paramètres de nuisance contraints pour les effets du détecteur, le flux de neutrinos et la modélisation de l'interaction (CCQE, 2p2h, FSI, SPP, etc.). L'extraction est validée par des tests de couverture et des ajustements de pseudo-données physiques utilisant des modèles d'interaction alternatifs (par exemple, GENIE) pour garantir l'indépendance vis-à-vis du modèle.

Contributions clés

• Mesure conjointe : Ce travail fournit la première mesure simultanée des sections efficaces $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np sur des cibles de carbone et d'oxygène, répondant à la composition nucléaire spécifique du détecteur lointain Super-Kamiokande.
• Observables KI bi-différentielles : L'analyse introduit des mesures bi-différentielles dans les espaces $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ et $p_N$–$\cos \theta_\mu$. Ces observables sont conçues pour découpler les effets nucléaires superposés, offrant une meilleure discrimination entre le mouvement initial, les corrélations multi-nucléons et les interactions de l'état final par rapport aux mesures à une seule variable.
• Extraction indépendante du modèle : En employant un ajustement de modèles avec des bins de signal non contraints et une validation rigoureuse contre des générateurs alternatifs, l'analyse extrait des sections efficaces qui dépendent de manière minimale du modèle d'interaction spécifique utilisé dans la simulation.
• Évaluation complète des incertitudes : L'étude comprend une évaluation détaillée des incertitudes systématiques, incluant la reconstruction du détecteur, la prédiction du flux (contrainte par les données NA61/SHINE) et la modélisation de l'interaction, en utilisant des échantillons de contrôle et des matrices de covariance.

Résultats
L'analyse a sélectionné 9 469 candidats $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np avec une pureté de signal globale de 74,7 %. Les sections efficaces bi-différentielles extraites révèlent des écarts significatifs entre les données et les modèles actuels d'interaction neutrino-noyau (spécifiquement le générateur NEUT utilisé dans la simulation).

• Écarts Données-MC : Les données présentent un excès d'événements près des pics des distributions $\delta p_T$ et $p_N$ par rapport aux prédictions MC. De plus, le MC a tendance à surestimer les données pour les muons produits dans la direction très directe ($\cos \theta_\mu \sim 1$).
• Performance des modèles : Les résultats indiquent que les modèles actuels ne décrivent pas de manière adéquate les données, particulièrement dans les régions sensibles aux effets nucléaires. Le fort pouvoir de discrimination des observables KI est démontré par la séparation claire des différentes contributions d'interaction dans les espaces de phase 2D.

Signification
L'article conclut que les écarts observés soulignent un besoin critique d'amélioration de la modélisation nucléaire théorique au sein des générateurs d'interactions de neutrinos. La forte sensibilité des observables KI aux effets nucléaires suggère que ces mesures sont essentielles pour réduire les incertitudes systématiques dans les analyses d'oscillation de neutrinos. En fournissant des données de section efficace précises et indépendantes du modèle sur le carbone et l'oxygène, ce travail soutient le développement de modèles d'interaction plus exacts, ce qui est une condition préalable pour atteindre les objectifs de haute précision des expériences d'oscillation de neutrinos actuelles et de prochaine génération.