First double-differential cross-section measurements in proton multiplicity and kinematics for mesonless $\nu_{\mu}$ charged-current interactions on argon using the MicroBooNE detector

Résumé technique : Premières mesures de sections efficaces double-différentielles de la multiplicité et de la cinématique des protons dans les interactions de diffusion de $\nu_\mu$ par courant chargé sans mésons sur l'argon

Énoncé du problème
Une modélisation précise des interactions neutrino-argon est une incertitude systématique critique pour les expériences actuelles et futures basées sur des accélérateurs, spécifiquement l'expérience Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) et le programme Short-Baseline Neutrino (SBN). Ces expériences reposent sur des chambres à projection temporelle à argon liquide (LArTPC) pour reconstruire les états finaux d'interaction des neutrinos. Un défi important réside dans la prédiction du système hadronique, en particulier le nombre (multiplicité) et la cinématique des protons de l'état final. La canal spécifique de diffusion de neutrinos muoniques par courant chargé ne produisant aucune méson et un ou plusieurs protons (notée CC0$\pi N_p$) est la topologie dominante aux énergies de neutrinos inférieures à 1 GeV et reste pertinente à des énergies plus élevées. Des mesures antérieures sur l'argon ont montré des tensions entre les données et les prédictions des générateurs d'événements, particulièrement concernant les corrélations entre les distributions cinématiques, mais manquaient de granularité pour distinguer les différentes multiplicités de protons ou explorer pleinement le rôle des interactions de l'état final (FSI) et des processus multinucléons.

Méthodologie
Cette analyse utilise l'ensemble complet des données collectées par le détecteur MicroBooNE au Fermilab par le Booster Neutrino Beam (BNB), correspondant à une exposition de $1,30 \times 10^{21}$ protons sur cible (POT). Le détecteur est un LArTPC de surface avec une masse active de 85 tonnes métriques, situé à 463 m en aval de la cible.

L'analyse cible les événements CC0$\pi N_p$ où l'état final contient un ou plusieurs protons et aucun méson. La définition du signal exige un muon primaire avec un moment $> 0,10$ GeV/c et au moins un proton dont le moment se situe dans la plage $[0,25, 1,00]$ GeV/c. Les protons secondaires sont considérés comme détectables si leur moment dépasse 0,25 GeV/c.

Les composantes méthodologiques clés incluent :

• Sélection d'événements : L'analyse utilise la boîte à outils de reconnaissance de formes multi-algorithmes Pandora pour la reconstruction. Contrairement aux analyses CC0$\pi N_p$ antérieures de MicroBooNE, ce travail assouplit les coupes de confinement et de qualité du muon pour augmenter l'efficacité de sélection (atteignant 39,3 % contre 12,3 % dans les travaux précédents), en se concentrant plutôt sur la multiplicité et la cinématique des protons.
• Observables : L'étude mesure les sections efficaces double-différentielles en fonction de :
  • La multiplicité des protons ($N_p$).
  • Les moments des protons de premier ($p_{p1}$) jusqu'au quatrième ($p_{p4}$) ordre.
  • Les angles d'ouverture muon-proton ($\cos \theta_{\mu p_i}$) pour les quatre premiers protons.
  • L'énergie cinétique totale disponible du système hadronique ($E_{avail}$).
• Déconvolution (Unfolding) et Corrélations : Pour récupérer les distributions cinématiques réelles à partir des données reconstruites, l'analyse utilise une méthode de déconvolution bayésienne itérative (D'Agostini). Une approche par blocs est adoptée, regroupant les bacs représentant la même distribution cinématique en 11 blocs distincts. Cela permet de rapporter simultanément toutes les distributions tout en préservant les pleines corrélations inter-blocs via une matrice de covariance.
• Estimation des incertitudes : Les incertitudes systématiques sont évaluées à l'aide d'une approche multi-univers, en faisant varier les paramètres de simulation pour la prédiction du flux, la modélisation des interactions neutrino-noyau (incluant un repondérage vers NuWro pour couvrir les différences de modèles), la réinteraction des hadrons et la réponse du détecteur. Les incertitudes statistiques tiennent compte du partage d'événements entre plusieurs distributions.

Contributions clés

• Première mesure de la cinématique dépendante de la multiplicité : Ce papier présente les premières mesures de sections efficaces double-différentielles des interactions CC0$\pi N_p$ sur l'argon en fonction de la multiplicité des protons et de la cinématique des protons principaux et secondaires.
• Comparaison exhaustive des générateurs : Les sections efficaces déconvoluées sont comparées aux prédictions de plusieurs générateurs d'événements largement utilisés : GENIE (configurations MicroBooNE tune et AR23 avec divers modèles FSI), NuWro (avec et sans FSI affiné), NEUT et GiBUU (avec et sans corrections en milieu).
• Libération de données : L'analyse fournit une libération complète de données incluant les sections efficaces mesurées par bac, les incertitudes totales, les prédictions des générateurs et les matrices de covariance complètes décrivant les incertitudes corrélées à travers les 183 bacs.

Résultats
La comparaison entre les données et les prédictions des générateurs révèle des divergences significatives, soulignant la sensibilité de ces observables à la modélisation des interactions de l'état final :

• Accord global : Aucun générateur ne fournit une description pleinement adéquate de l'ensemble du jeu de données. Le meilleur accord global est obtenu par GiBUU 2025 avec des corrections de milieu aux sections efficaces nucléon-nucléon ($\chi^2/ndof = 428,8/145$), suivi de GiBUU par défaut et de la configuration GENIE AR23 hA.
• Sensibilité FSI : Les résultats démontrent une forte sensibilité à la modélisation des FSI. Les variations des modèles FSI au sein de la configuration GENIE AR23 produisent une large gamme de valeurs $\chi^2$ (allant de 488,1 à 1200,6), indiquant que le traitement de la cascade nucléaire est un moteur principal des écarts entre les données et les modèles.
• Divergences spécifiques :
  • Multiplicité des protons : Des désaccords significatifs sont observés dans les distributions de multiplicité des protons, particulièrement pour les angles d'ouverture vers l'arrière et la cinématique des protons secondaires.
  • Angle d'ouverture du proton principal : La plupart des générateurs sous-estiment la section efficace pour les événements à proton unique ($N_p=1$) à des angles vers l'arrière ($\cos \theta_{\mu p_1} < 0$).
  • Spécificités des générateurs : NEUT surestime systématiquement les événements multiprotons ($N_p \ge 2$) par rapport aux événements à proton unique et surestime les systèmes hadroniques à haute énergie. NuWro tend à sous-estimer la section efficace à bas moments. La configuration AR23 INCL sous-estime systématiquement le rendement global en protons.
  • Protons secondaires : Bien que les distributions des protons principaux montrent une forte dépendance au modèle, les distributions angulaires des protons secondaires (2ème, 3ème, 4ème) sont généralement bien reproduites par tous les générateurs, suggérant que l'isotropie de ces particules est une caractéristique générique de la réinteraction intranucléaire moins sensible aux modèles de cascade spécifiques.

Signification
Le papier affirme que ces mesures fournissent un point de référence unique pour tester et affiner la modélisation des interactions de l'état final et des processus multinucléons dans les générateurs d'événements de neutrinos. Les résultats répondent directement aux besoins de modélisation des programmes de physique DUNE et SBN, qui dépendent d'une reconstruction précise des systèmes hadroniques pour l'estimation de l'énergie du neutrino et la classification des événements. Les auteurs concluent que, bien que le cadre de transport BUU (utilisé par GiBUU) offre actuellement la description la plus complète, des déficiences de modélisation importantes subsistent, particulièrement dans le traitement des états finaux à proton unique à des angles d'ouverture larges et dans la force de la cascade nucléaire. La libération complète des données est destinée à permettre à la communauté des générateurs d'utiliser ces résultats pour l'ajustement (tuning) et la validation.