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

Sintesi Tecnica: Prima Misura Differenziale Doppia delle Interazioni di Neutrini Muonici a Corrente Carica con Pioni Assenti su Carbonio e Ossigeno

Problema e Motivazione
Gli attuali e futuri esperimenti di oscillazione di neutrini a lungo raggio, come T2K e Hyper-Kamiokande, si basano su misurazioni precise delle oscillazioni dei neutrini confrontando gli spettri osservati con le previsioni teoriche. Alle energie sub-GeV (~0,6 GeV), il segnale è dominato dalle interazioni a corrente carica senza pioni (CC0$\pi$). Le tecniche di ricostruzione standard assumono lo scattering quasi-elastico (QE) su un nucleone libero a riposo; tuttavia, gli effetti nucleari—inclusi il moto di Fermi, le correlazioni multi-nucleone (a corto/lungo raggio) e le interazioni nello stato finale (FSI)—violano questa ipotesi. Le FSI possono assorbire i pioni dai canali di produzione, migrando eventi nel campione CC0$\pi$ e distorcendo la ricostruzione dell'energia del neutrino.

Le misurazioni esistenti sull'ossigeno, il bersaglio primario per Super-Kamiokande e Hyper-Kamiokande, sono scarse e limitate alla cinematica leptonica, prive della sensibilità necessaria agli stati finali adronici per sondare i complessi effetti nucleari. Di conseguenza, le analisi di oscillazione di T2K estrapolano attualmente i risultati basati sul carbonio dal rivelatore vicino (ND280) verso i bersagli di ossigeno. Questa estrapolazione introduce una significativa dipendenza dal modello, con i generatori di interazione comunemente utilizzati che predicono rapporti di sezione d'urto carbonio-ossigeno con differenze fino al ~10%. Per risolvere queste incertezze di modellazione e ridurre gli errori sistematici nei parametri di oscillazione ($\theta_{23}$, $\Delta m^2_{32}$, $\delta_{CP}$), sono necessarie misurazioni dirette su molteplici bersagli utilizzando osservabili di squilibrio cinematico.

Metodologia
Questo lavoro presenta la prima misura della sezione d'urto differenziale doppia delle interazioni $\nu_\mu$ CC0$\pi$ con almeno un protone nello stato finale ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) su entrambi i bersagli di carbonio e ossigeno. L'analisi utilizza i dati raccolti dal rivelatore vicino ND280 dell'esperimento T2K tra il 2010 e il 2017, corrispondenti a un'esposizione di $11,61 \times 10^{20}$ protoni su bersaglio (POT).

• Bersagli e Rilevamento: L'analisi impiega due rivelatori a scintillatore a grana fine (FGD) all'interno di ND280. L'FGD1 funge da bersaglio di carbonio, mentre l'FGD2, composto da strati alternati di scintillatore plastico e acqua, fornisce una miscela di bersagli di carbonio e ossigeno. Le particelle cariche sono tracciate dai camere a proiezione temporale (TPC) circostanti.
• Selezione del Segnale: Il campione di segnale consiste in interazioni $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np nei volumi di fiducia di FGD1 e FGD2. Sono applicati vincoli cinematici sul muone in uscita ($0,225 < p_\mu < 10$ GeV/c, $\cos\theta_\mu > -0,6$) e sul protone principale ($0,525 < p_p < 1$ GeV/c, $\cos\theta_p > 0,3$) per garantire una buona accettanza del rivelatore. Il campione selezionato contiene 9.469 candidati con una composizione stimata del 70,8% di interazioni di carbonio e del 22,3% di ossigeno. La purezza complessiva del segnale è del 74,6%.
• Osservabili di Squilibrio Cinematico (KI): Per separare gli effetti nucleari, la misura è eseguita in funzione di tre osservabili KI:
  1. Squilibrio del momento trasverso ($\delta p_T$).
  2. Angolo di boosting trasverso ($\delta \alpha_T$).
  3. Momento iniziale del nucleone inferito ($p_N$), che incorpora informazioni longitudinali derivate dalla conservazione di energia-momento.
     L'analisi riporta sezioni d'urto differenziali doppie in due spazi di fase complementari: $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ e $p_N$–$\cos\theta_\mu$.
• Strategia di Analisi: Le sezioni d'urto vengono estratte utilizzando un metodo di unfolding a template con il software GUNDAM. Il modello di fit include parametri di normalizzazione liberi per tenere conto delle discrepanze tra dati e MC. Le incertezze sistematiche derivanti dalla simulazione del rivelatore, dalla modellazione del flusso e dalla modellazione dell'interazione sono incluse, con la modellazione dell'interazione che rappresenta la fonte dominante.
• Confronto con i Modelli: Le sezioni d'urto misurate sono confrontate con le predizioni di quattro generatori di eventi per neutrini: NEUT v6.1.0, GENIE v3.6.2 (utilizzando due configurazioni: G18 10b e AR23 20i), NuWro v25.03.1 e GiBUU v2025p3. Questi modelli utilizzano diversi approcci per gli stati iniziali dei nucleoni (Funzione Spettrale vs. Gas di Fermi Locale), interazioni multi-nucleone (Valencia vs. SuSAv2) e FSI (Cascata Intranucleare vs. teoria del trasporto).

Contributi Chiave

• Prima Misura Congiunta: Questa è la prima misura differenziale doppia delle sezioni d'urto $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np su carbonio e ossigeno simultaneamente.
• Sensibilità Diretta: Misurando entrambi i bersagli, il lavoro fornisce una sensibilità diretta alle correlazioni tra carbonio e ossigeno, un ingrediente critico per ridurre le incertezze sistematiche negli esperimenti che utilizzano molteplici nuclei bersaglio.
• Sondaggio degli Effetti Nucleari: L'uso delle osservabili $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ e $p_N$–$\cos\theta_\mu$ permette di separare la dinamica dello stato iniziale (moto di Fermi) dalle interazioni nello stato finale e dalle correlazioni multi-nucleone.
• Specificità dell'Ossigeno: La misura offre un sondaggio unico degli effetti nucleari in ossigeno, un nucleo "doppiamente magico", che è stato storicamente meno studiato rispetto al carbonio.

Risultati

• Incertezze: Le sezioni d'urto misurate esibiscono incertezze relative totali che vanno dal 15% all'80%, dominate dalle fluttuazioni statistiche (9%–70%). Tra le fonti sistematiche, la modellazione dell'interazione neutrino-nucleo contribuisce per l'8%–30%.
• Prestazioni dei Modelli:
  • NEUT e NuWro: Questi modelli, che utilizzano la Funzione Spettrale (SF) come stato fondamentale, il modello Valencia per le interazioni 2p2h e FSI basate su cascata, mostrano il miglior accordo complessivo con i dati, fornendo i p-value più elevati attraverso gli spazi di fase misurati.
  • GENIE e GiBUU: Questi generatori mostrano tensioni maggiori con i dati, in particolare per il carbonio. Tuttavia, la configurazione GENIE AR23 20i (che incorpora correlazioni a corto raggio e il modello SuSAv2) raggiunge un p-value migliore (~0,13) nello spazio $p_N$–$\cos\theta_\mu$ rispetto alla sua controparte G18 10b.
  • Specifiche di GiBUU: GiBUU descrive accuratamente la regione ad alto angolo ($\delta \alpha_T > 135^\circ$) dove le FSI sono prominenti, ma fallisce nel catturare la regione a basso $\delta \alpha_T$ dominata dalle interazioni CCQE, probabilmente a causa di un $\delta p_T$ bulk sottostimato.
• Discrepanze: Tutti i generatori testati sottostimano i dati nella regione intermedia di $\delta p_T$ (0,2–0,5 GeV/c) per il carbonio e mostrano deficit simili, sebbene meno pronunciati, per l'ossigeno in specifiche regioni angolari. Un deficit comparabile appare nell'intervallo intermedio di $p_N$ (0,2–0,4 GeV/c) per i muoni che viaggiano in avanti, suggerendo che le implementazioni attuali di questi processi siano insufficienti. Inoltre, per l'ossigeno, i dati mostrano una sezione d'urto più alta vicino al picco di $p_N$ ad ampi angoli di scattering del muone, indicando la necessità di un trattamento raffinato dello stato nucleare iniziale in questo spazio di fase.

Significatività
Il documento afferma che questi risultati forniscono una sonda nuova e altamente sensibile degli effetti nucleari, inclusi il moto iniziale dei nucleoni, le interazioni multi-nucleone e le FSI. La misura congiunta offre un test diretto della modellazione unificata dello scattering neutrino-nucleo su carbonio e ossigeno, che è direttamente rilevante per i programmi di fisica di T2K e Hyper-Kamiokande. I risultati evidenziano direzioni specifiche in cui sono necessari miglioramenti nella modellazione delle interazioni neutrino-nucleo, in particolare riguardo alla descrizione di SRC e interazioni multi-nucleone. Sebbene la misura sia attualmente limitata dalle incertezze statistiche, la metodologia e le intuizioni stabilite qui pongono le basi per studi più precisi degli effetti nucleari utilizzando i futuri dati T2K dal rivelatore ND280 aggiornato.