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

Sintesi Tecnica: Selezione del Segnale ed Estrazione Indipendente dal Modello della Sezione d'Urto di Neutrini Muonici a Corrente Carica con Assenza di Pioni

Problematica
Gli attuali e futuri esperimenti basati su acceleratori, come T2K, NOvA, Hyper-Kamiokande e DUNE, mirano a misurazioni di precisione dei parametri di oscillazione dei neutrini. Tuttavia, l'incertezza sistematica dominante in queste misurazioni deriva dalla modellizzazione delle interazioni neutrino-nucleo. Nello specifico, gli "effetti nucleari" — inclusi gli stati iniziali dei nucleoni, le correlazioni tra nucleoni e le interazioni nello stato finale (FSI) — distorcono lo spettro dell'energia del neutrino ricostruito, potenzialmente introducendo bias nell'estrazione dei parametri di oscillazione. I modelli di interazione esistenti spesso non riescono a descrivere adeguatamente i dati in vari regimi cinematici. Per affrontare questo problema, è necessaria una misurazione critica, ad alta precisione e indipendente dal modello, delle sezioni d'urto per isolare e vincolare questi effetti nucleari.

Metodologia
Questa analisi presenta la prima misurazione congiunta delle interazioni di neutrini muonici a corrente carica con zero pioni e almeno un protone ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) su bersagli di carbonio e ossigeno utilizzando il ND280 del T2K Near Detector. Lo studio utilizza i dati raccolti tra il 2010 e il 2017, corrispondenti a $11,61 \times 10^{20}$ protoni su bersaglio (POT).

• Definizione e Selezione del Segnale: Il segnale è definito come interazioni che producono un muone, nessun pione e almeno un protone ricostruito proveniente dal vertice di interazione. L'analisi impiega un sofisticato algoritmo di selezione degli eventi applicato ai volumi di fiducialità dei Fine-Grained Detectors (FGD1 e FGD2). Il campione è suddiviso in base ai sottocomponenti del rivelatore (tracciamento TPC vs. FGD) e al materiale del bersaglio (FGD2 è ulteriormente suddiviso in "FGD2X" e "FGD2Y" per migliorare la purezza di ossigeno e carbonio, rispettivamente).
• Osservabili di Sbilanciamento Cinematico (KI): Per aumentare la sensibilità agli effetti nucleari, la sezione d'urto è misurata differenzialmente in due spazi bi-dimensionali utilizzando le osservabili KI:
  1. $\delta p_T$ vs. $\delta \alpha_T$: Sbilanciamento del momento trasverso e angolo di boosting trasverso.
  2. $p_N$ vs. $\cos \theta_\mu$: Momento iniziale del nucleone inferito e angolo di scattering del muone.
     Queste osservabili sfruttano le correlazioni tra il leptone in uscita e gli adroni per sondare il moto dello stato iniziale, le correlazioni multi-nucleone e le FSI.
• Controllo del Background: I background dominanti, principalmente interazioni $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ e CC1$\pi^0$ in cui i pioni vengono mancati, sono gestiti tramite un approccio basato sui dati. Un campione di controllo dedicato, arricchito in interazioni $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ (che richiedono elettroni di Michel o tracce di pioni identificate), viene utilizzato per vincolare la normalizzazione del background nel fit.
• Framework di Estrazione: La sezione d'urto viene estratta utilizzando un metodo di unfolding a template-fit con il software GUNDAM. Il fit utilizza una funzione di verosimiglianza binata confrontando i dati con i template Monte Carlo (MC). I parametri del fit includono fattori di normalizzazione del segnale non vincolati per ogni bin dell'osservabile reale e parametri di disturbo (nuisance parameters) vincolati per gli effetti del rivelatore, il flusso di neutrini e la modellizzazione dell'interazione (CCQE, 2p2h, FSI, SPP, ecc.). L'estrazione è validata attraverso test di copertura e fit di pseudo-dati fisici utilizzando modelli di interazione alternativi (es. GENIE) per garantire l'indipendenza dal modello.

Contributi Chiave

• Misurazione Congiunta: Questo lavoro fornisce la prima misurazione simultanea delle sezioni d'urto $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np su entrambi i bersagli di carbonio e ossigeno, affrontando la specifica composizione nucleare del rivelatore far detector di Super-Kamiokande.
• Osservabili KI Bi-differenziali: L'analisi introduce misurazioni bi-differenziali negli spazi $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ e $p_N$–$\cos \theta_\mu$. Queste osservabili sono progettate per disaccoppiare gli effetti nucleari sovrapposti, offrendo una maggiore capacità di discriminazione tra il moto dello stato iniziale, le correlazioni multi-nucleone e le interazioni nello stato finale rispetto alle misurazioni a singola variabile.
• Estrazione Indipendente dal Modello: Utilizzando un template fit con bin del segnale non vincolati e una rigorosa validazione contro generatori alternativi, l'analisi estrae sezioni d'urto che sono minimamente dipendenti dal modello di interazione di neutrini specifico utilizzato nella simulazione.
• Valutazione Comprensiva delle Incertezze: Lo studio include una valutazione dettagliata delle incertezze sistematiche, inclusi la ricostruzione del rivelatore, la predizione del flusso (vincolata dai dati NA61/SHINE) e la modellizzazione dell'interazione (CCQE, 2p2h, FSI, SPP, ecc.), utilizzando campioni di controllo e matrici di covarianza.

Risultati
L'analisi ha selezionato 9.469 candidati $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np con una purezza del segnale complessiva del 74,7%. Le sezioni d'urto bi-differenziali estratte rivelano discrepanze significative tra i dati e gli attuali modelli di interazione neutrino-nucleo (specificamente il generatore NEUT utilizzato nella simulazione).

• Discrepanze Data-MC: I dati mostrano un eccesso di eventi vicino ai picchi delle distribuzioni $\delta p_T$ e $p_N$ rispetto alle predizioni MC. Inoltre, l'MC tende a sovrastimare i dati per i muoni prodotti in direzione molto frontale ($\cos \theta_\mu \sim 1$).
• Performance del Modello: I risultati indicano che gli attuali modelli non descrivono adeguatamente i dati, in particolare nelle regioni sensibili agli effetti nucleari. La forte capacità discriminante delle osservabili KI è dimostrata dalla chiara separazione dei diversi contributi di interazione negli spazi a fase 2D.

Significatività
L'articolo conclude che le discrepanze osservate evidenziano la necessità critica di una migliore modellizzazione nucleare teorica all'interno dei generatori di interazione dei neutrini. La forte sensibilità delle osservabili KI agli effetti nucleari suggerisce che queste misurazioni sono essenziali per ridurre le incertezze sistematiche nelle analisi delle oscillazioni dei neutrini. Fornendo dati precisi e indipendenti dal modello sulle sezioni d'urto su carbonio e ossigeno, questo lavoro supporta lo sviluppo di modelli di interazione più accurati, che è un prerequisito per raggiungere gli obiettivi di alta precisione degli attuali e dei prossimi esperimenti di oscillazione dei neutrini.