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

Sintesi Tecnica: Sezioni d'urto inclusive e senza pioni integrate con il flusso per lo scattering di neutrini a corrente carica su $^{40}$Ar

Problematica
La conoscenza precisa delle sezioni d'urto di interazione neutrino-nucleo al livello percentuale è critica per gli attuali e i futuri esperimenti di oscillazione dei neutrini (ad esempio, SBN, DUNE, Hyper-Kamiokande). Mentre esistono dati estesi per il carbonio e l'ossigeno, i dati per l'argon rimangono relativamente scarsi. I modelli teorici e i generatori di eventi esistenti hanno dimostrato l'incapacità di descrivere i dati sperimentali con alta accuratezza, creando la necessità di un benchmarking dettagliato. Nello specifico, vi è l'esigenza di validare i framework teorici rispetto alle misure di sezioni d'urto inclusive e semi-inclusive (senza pioni) integrate con il flusso per l'argon all'interno dell'intervallo di energia del Booster Neutrino Beam (BNB), dove i processi di quasielasticità a corrente carica (CCQE) e di correnti di scambio di mesoni (MEC) sono dominanti.

Metodologia
Gli autori calcolano le sezioni d'urto singole e doppie differenziali integrate con il flusso per lo scattering di $\nu_\mu$ su $^{40}$Ar utilizzando la Relativistic Distorted-Wave Impulse Approximation (RDWIA) combinata con le correnti di scambio di mesoni (MEC) a due particelle-due buche (2p-2h).

• Framework Teorico:
  • Canale CCQE: Modellato tramite RDWIA, che tratta gli stati nucleonici legati attraverso soluzioni auto-coerenti dell'equazione di Dirac all'interno di un modello a particella indipendente (IPSM) basato su un lagrangiano di campo medio relativistico ($\sigma-\omega$). Le interazioni dello stato finale (FSI) sono tenute conto utilizzando un potenziale ottico relativistico fenomenologico (parametrizzazione EDAD1). Le correlazioni nucleone-nucleone a corto raggio sono stimate per tenere conto delle componenti ad alto momento nel target.
  • Canale MEC: I contributi 2p-2h sono calcolati utilizzando l'approccio SuSA-MEC, incorporando parametrizzazioni precise derivate da calcoli MEC esatti. Questo include meccanismi di scambio di un pione (componenti seagull, pion-in-flight, pion-pole e delta-pole).
  • Risonanza e DIS: I contributi della produzione di risonanza (RES) e dello scattering in profondità (DIS) sono valutati utilizzando il generatore di eventi GENIE (versione 3.04.00) con la configurazione del modello G18-10a.
  • Fattori di Forma: I fattori di forma vettoriali utilizzano la parametrizzazione MMD, mentre il fattore di forma assiale utilizza una parametrizzazione a dipolo con una massa assiale $M_A = 1.2$ GeV, un valore precedentemente determinato dai dati MiniBooNE.
• Elaborazione dei Dati: Le predizioni teoriche sono integrate con il flusso sul spettro BNB e "spalmate" (smeared) utilizzando la matrice di unfolding ($A_c$) derivata dai dati MicroBooNE per facilitare il confronto diretto con i risultati sperimentali.

Contributi Chiave

1. Validazione di RDWIA+MEC per l'Argon: Lo studio fornisce un calcolo completo delle sezioni d'urto differenziali inclusive e senza pioni (CC0$\pi$) integrate con il flusso per l'argon, specificamente adattate alle condizioni sperimentali di MicroBooNE.
2. Confronto degli Effetti Nucleari: L'articolo esegue un'analisi comparativa delle sezioni d'urto differenziali in funzione dell'energia cinetica del muone per il carbonio (MiniBooNE) e l'argon (MicroBooNE), scalate al numero di neutroni del target. Ciò mira a isolare gli effetti del mezzo nucleare tra i due nuclei.
3. Benchmarking: Il lavoro funge da benchmark per il raffinamento dei generatori di eventi e dei modelli teorici, affrontando la discrepanza tra i modelli esistenti e i dati ad alta precisione.

Risultati

• Sezioni d'Urto Inclusive: Le sezioni d'urto doppie differenziali calcolate ($d^2\sigma/d\varepsilon_\mu d\cos\theta$) e le sezioni d'urto singole differenziali ($d\sigma/d\varepsilon_\mu$ e $d\sigma/d\cos\theta$) mostrano un buon accordo con i dati MicroBooNE entro le incertezze sperimentali (che superano il 10%).
  • Il contributo CCQE domina, rappresentando circa il 50% della sezione d'urto totale, con il MEC che contribuisce per circa il 16%, RES per il 26% e DIS per l'8%.
  • La frazione CCQE aumenta con l'energia del muone, raggiungendo circa il 65% sopra 1.2 GeV.
  • Si notano discrepanze minori: il modello sovrastima leggermente i dati nell'intervallo $0.8 < \cos\theta < 0.9$ e li sottostima nell'intervallo $0.9 < \cos\theta < 1.0$. Si osserva una leggera sottostima sistematica per energie del muone $E_\mu > 0.8$ GeV.
• Sezioni d'Urto Senza Pioni (CC0$\pi$): Per lo scattering senza pioni, il modello predice che le interazioni di tipo CCQE (CCQE + MEC) forniscano il contributo dominante. Le sezioni d'urto doppie differenziali calcolate ($d^2\sigma/dp_\mu d\cos\theta$) e singole differenziali ($d\sigma/dp_\mu$ e $d\sigma/d\cos\theta$) concordano generalmente con i dati MicroBooNE entro le ampie incertezze sperimentali (che superano il 15%).
• Confronto Carbonio vs. Argon: Quando si confrontano le sezioni d'urto senza pioni per neutrone per il carbonio e l'argon, la differenza teorica è calcolata in circa il 6%, mostrando una debole dipendenza dall'energia del muone. Tuttavia, il confronto tra i dati sperimentali di MiniBooNE e MicroBooNE mostra coerenza entro le rispettive incertezze (che superano il 10%). Di conseguenza, la precisione sperimentale attuale è insufficiente per stimare quantitativamente la differenza negli effetti nucleari tra i due nuclei.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che l'approccio RDWIA+MEC descrive con successo le sezioni d'urto singole e doppie differenziali misurate per l'argon entro le incertezze sperimentali. Gli autori sottolineano che, sebbene i dati attuali validino il modello, la precisione delle misurazioni esistenti (incertezze >10%) impedisce una definitiva estrazione quantitativa delle differenze negli effetti nucleari tra carbonio e argon.

Gli autori concludono che, affinché i futuri esperimenti (come quelli pianificati per il rivelatore SAND di DUNE) possano studiare con successo le differenze negli effetti nucleari tra i target di carbonio e argon a energie inferiori a 2 GeV, è fondamentale misurare le sezioni d'urto differenziali con un'accuratezza superiore al 6%. Questo lavoro evidenzia la necessità di misurazioni ad alta precisione per raffinare i modelli di sezione d'urto multi-target e minimizzare le incertezze sistematiche associate agli effetti del mezzo nucleare nelle future analisi di oscillazione dei neutrini.