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

Sintesi Tecnica: Sonda degli Effetti Nucleari con l'Imbalance Cinetica Trasversale nella Produzione di $\pi^0$ Indotta da Neutrino-Muone su Argon

Problematica
Le misurazioni di precisione delle oscillazioni dei neutrini nei prossimi esperimenti, come il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Hyper-Kamiokike e il programma Short-Baseline Neutrino, dipendono dalla ricostruzione accurata dell'energia del neutrino incidente dai prodotti finali. Tale ricostruzione è subordinata a una modellazione affidabile delle interazioni neutrino-nucleo. Una fonte significativa di incertezza sistematica deriva dagli effetti nucleari, in particolare dalle interazioni dello stato finale (FSI), che alterano i momenti e le molteplicità delle particelle che emergono dal nucleo. Nell'intervallo di energia 1–4 GeV, la produzione risonante di pioni (dominata dalla risonanza $\Delta(1232)$) è un canale di interazione primario. Tuttavia, i modelli esistenti faticano a descrivere simultaneamente la complessa interazione tra eccitazione di risonanza, decadimento e propagazione adronica attraverso il mezzo nucleare. Nello specifico, la produzione di pioni neutri ($\pi^0$) è un background critico per le ricerche di comparsa di neutrino elettronico a causa del loro decadimento in fotoni, che possono simulare le firme elettroniche. È necessaria una misurazione ad alta statistica su target di argon per vincolare questi modelli, poiché i dati precedenti su carbonio (ad esempio, da MINERvA) potrebbero non catturare appieno la dinamica nucleare specifica dell'argon.

Metodologia
La collaborazione MicroBooNE presenta una misurazione delle interazioni a corrente carica (CC) di neutrini-muone su argon che risultano in uno stato finale composto da un muone, un $\pi^0$ e almeno un protone ($\nu_\mu$CCNp1$\pi^0$). L'analisi utilizza l'intero dataset del MicroBooNE Booster Neutrino Beam (BNB), corrispondente a $1.10 \times 10^{21}$ protoni-su-target (POT).

Componenti metodologiche chiave includono:

• Selezione degli Eventi: Gli eventi sono categorizzati come completamente contenuti (FC) o parzialmente contenuti (PC). I criteri di selezione richiedono un muone ricostruito con energia cinetica $T_\mu > 40$ MeV, almeno un protone con $T_p > 60$ MeV e esattamente un $\pi^0$ ricostruito (identificato tramite sciami $\gamma\gamma$). Eventi con pioni carichi o mesoni pesanti sopra i 40 MeV sono rifiutati per sopprimere i background di scattering profondo-inelastico (DIS).
• Ricostruzione: L'analisi impiega un algoritmo aggiornato di Multiple Coulomb Scattering (MCS) per i muoni parzialmente contenuti e una raffinata conversione carica-energia per gli sciami elettromagnetici. L'efficienza del segnale è del 12,7% con una purezza del 75,6%.
• Transverse Kinematic Imbalance (TKI): Lo studio si concentra sulle variabili TKI, che caratterizzano lo squilibrio di momento nel piano trasversale rispetto alla direzione del fascio di neutrini. Queste variabili ($\delta p_T$, $\delta \alpha_T$, $\delta p^x_T$, $\delta p^y_T$) sono sensibili agli effetti nucleari come il moto di Fermi e le FSI. Il momento adronico principale è definito come $\vec{p}_h = \vec{p}_{\pi^0} + \vec{p}_p$.
• Framework di Analisi: Le sezioni differenziali di sezione d'urto vengono estratte utilizzando un approccio di unfolding a blocchi (Wiener-SVD) per preservare le correlazioni tra le osservabili. Le incertezze sistematiche derivanti dal flusso, dalla modellazione dell'interazione e dalla risposta del rivelatore sono propagate tramite matrici di covarianza.
• Validazione del Modello: Test di goodness-of-fit (GoF) sono eseguiti nello spazio ricostruito utilizzando vincoli condizionali derivati da osservabili ben misurate per aumentare la sensibilità alla errata modellazione.
• Simulazione: Le previsioni sono confrontate con diversi generatori di interazione di neutrini: GENIE v3.0.6 (MicroBooNE tune G18T e DUNE baseline AR23), NuWro 25.11, NEUT v5.4.0.1 e GiBUU 2025. Viene applicata una procedura di reweighting aggiornata alla simulazione GENIE per correggere una sovra-predizione della sezione d'urto di scambio di carica (CEX) del pione.

Contributi Chiave

• Prima Misurazione su Argon con TKI: Questo lavoro fornisce la prima misurazione di interazioni tipo risonanza $\nu_\mu$ su argon utilizzando le variabili di sbilanciamento cinematico trasversale.
• Caratterizzazione Cinetica Completa: L'articolo riporta dieci misurazioni di sezione d'urto differenziale singola che coprono la cinematica del muone, del $\pi^0$ e del protone principale, nonché le quattro osservabili TKI.
• Miglioramento della Definizione del Segnale: Richiedendo almeno un protone nello stato finale, l'analisi aumenta la frazione di interazioni di risonanza barionica nel campione selezionato rispetto alle precedenti misurazioni inclusive di $\pi^0$.
• Statistica e Purezza Migliorate: L'uso dell'intero dataset e di criteri di selezione aggiornati produce una statistica significativamente più elevata e una purezza del segnale migliorata (75,6%) rispetto ai precedenti risultati di MicroBooNE.
• Trattamento Sistematico delle FSI: L'analisi incorpora un reweighting dedicato del modello di trasporto adronico intranucleare di GENIE per affrontare le discrepanze nei tassi di scambio di carica dei pioni.

Risultati

• Sezione d'Urto: La sezione d'urto totale integrata sul flusso è misurata in $1,62 \times 10^{-38}$ cm$^2$/Ar.
• Confronto con i Modelli:
  • Distribuzioni Cinematiche: Le distribuzioni di energia cinetica delle particelle dello stato finale sono generalmente ben riprodotte dai generatori, con NEUT che mostra il miglior accordo complessivo per le singole variabili. Tuttavia, si osservano significative discrepanze di forma nelle distribuzioni angolari. Tutti i generatori sovra-predicono i muoni che viaggiano in avanti (potenzialmente legati alla modellazione del blocco di Pauli) e sotto-predicono i $\pi^0$ e i protoni che viaggiano in avanti.
  • Osservabili TKI: I dati mostrano una distribuzione dello sbilanciamento del momento trasversale ($\delta p_T$) più stretta di quanto predetto dalla maggior parte dei generatori, suggerendo una sovrastima dell'allargamento del momento trasversale nei modelli. Inoltre, la distribuzione dell'angolo di apertura trasversale ($\delta \alpha_T$) mostra che i modelli sottostimano i dati ad angoli ampi (vicino a 180$^\circ$), una regione associata alla decelerazione del sistema adronico dovuta alle FSI.
  • Accordo Globale: Nessun singolo generatore raggiunge un accordo uniformemente buono su tutte le dieci osservabili. Considerando l'intera matrice di covarianza, GENIE (G18T) fornisce il miglior accordo complessivo, seguito da vicino da NEUT. Il modello GiBUU T2 inmed mostra un disaccordo sostanziale, particolarmente nelle osservabili del $\pi^0$.
• Confronto con MINERvA: Sebbene entrambe le misurazioni su argon e carbonio mostrino che i modelli sovra-predicono la larghezza della distribuzione $\delta p^x_T$, i dati MicroBooNE su argon rivelano una preferenza più forte affinché il vettore di sbilanciamento sia orientato in direzione opposta al muone (grande $\delta \alpha_T$) rispetto a quanto osservato nei dati MINERvA su carbonio.

Significatività
L'articolo afferma che questa misurazione fornisce vincoli stringenti ai modelli di produzione di risonanze e di trasporto adronico nei nuclei. I risultati evidenziano che gli attuali modelli di interazione mancano della precisione necessaria per riprodurre simultaneamente tutte le osservabili cinematiche e TKI. Nello specifico, le discrepanze nelle variabili TKI suggeriscono carenze nella modellazione della correlazione tra l'entità e la direzione dello sbilanciamento del momento trasversale, puntando a problemi irrisolti nella descrizione dello scattering re-attivo adronico e degli effetti nucleari. Questi risultati sono essenziali per ridurre le incertezze sistematiche nei futuri esperimenti di oscillazione dei neutrini a lungo raggio, in particolare DUNE, dove la produzione di risonanza è un canale di interazione dominante. Il lavoro costituisce un passo necessario verso una migliore modellazione delle interazioni richiesta per la fisica di precisione.