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

Sintesi Tecnica: Prime misurazioni delle sezioni d'urto differenziali doppi in funzione della molteplicità dei protoni e della cinematica per interazioni $\nu_\mu$ a carica corrente senza mesoni su Argon

Problema
La modellazione accurata delle interazioni neutrino-argon è un'incertezza sistematica critica per gli attuali e futi esperimenti basati su acceleratori, specificamente l'esperimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) e il programma Short-Baseline Neutrino (SBN). Questi esperimenti si affidano ai rivelatori LArTPC (Liquid Argon Time Projection Chamber) per ricostruire gli stati finali delle interazioni dei neutrini. Una sfida significativa risiede nella previsione del sistema adronico, in particolare nel numero (molteplicità) e nella cinematica dei protoni nello stato finale. Le precedenti misurazioni su argon hanno mostrato tensioni tra i dati e le previsioni dei generatori di eventi, in particolare riguardo alle correlazioni tra le distribuzioni cinematiche, ma mancavano della granularità necessaria per distinguere tra diverse molteplicità di protoni o per esplorare pienamente il ruolo delle interazioni dello stato finale (FSI) e dei processi multinucleone.

Metodologia
Questa analisi utilizza l'intero dataset raccolto dal rivelatore MicroBooNE presso il Fermilab tramite il Booster Neutrino Beam (BNB), corrispondente a un'esposizione di $1,30 \times 10^{21}$ protoni su bersaglio (POT). Il rivelatore è un LArTPC superficiale con una massa attiva di 85 tonnellate metriche, situato a 463 m a valle del bersaglio.

L'analisi si concentra sugli eventi CC0$\pi N_p$ in cui lo stato finale contiene uno o più protoni e nessun mesone. La definizione del segnale richiede un muone primario con momento $>0,10$ GeV/c e almeno un protone con momento nell'intervallo $[0,25, 1,00]$ GeV/c. I protoni sublegenti sono considerati rilevabili se il loro momento supera lo 0,25 GeV/c.

I componenti metodologici chiave includono:

• Selezione degli eventi: L'analisi utilizza il toolkit di riconoscimento dei pattern multi-algoritmo Pandora per la ricostruzione. A differenza delle precedenti analisi MicroBooNE CC0$\pi N_p$, questo lavoro rilassa i tagli di contenimento e qualità del muone per aumentare l'efficienza di selezione (raggiungendo il 39,3% rispetto al 12,3% del lavoro precedente), concentrandosi invece sulla molteplicità e sulla cinematica dei protoni.
• Osservabili: Lo studio misura le sezioni d'urto differenziali doppie in funzione di:
  • Molteplicità dei protoni ($N_p$).
  • Momenti del primo ($p_{p1}$) fino al quarto ($p_{p4}$) protone leader.
  • Angoli di apertura muone-protone ($\cos \theta_{\mu p_i}$) per i primi quattro protoni.
  • Energia cinetica totale disponibile del sistema adronico ($E_{avail}$).
• Unfolding e Correlazioni: Per recuperare le distribuzioni cinematiche reali dai dati ricostruiti, l'analisi utilizza un metodo di unfolding bayesiano iterativo (D'Agostini). Viene adottato un approccio a blocchi, raggruppando i bin che rappresentano la stessa distribuzione cinematica in 11 blocchi distinti. Ciò consente di riportare simultaneamente tutte le distribuzioni preservando la piena correlazione tra i blocchi tramite una matrice di covarianza.
• Stima dell'incertezza: Le incertezze sistematiche sono valutate utilizzando un approccio multi-universo, variando i parametri di simulazione per la previsione del flusso, la modellazione delle interazioni neutrino-nucleo (inclusa la riponderazione a NuWro per coprire le differenze tra i modelli), la riinterazione degli adroni e la risposta del rivelatore. Le incertezze statistiche tengono conto della condivisione degli eventi tra più distribuzioni.

Contributi Chiave

• Prima misurazione della cinematica dipendente dalla molteplicità: Questo articolo presenta le prime misurazioni delle sezioni d'urto differenziali doppie delle interazioni CC0$\pi N_p$ su argon in funzione della molteplicità dei protoni e della cinematica dei protoni leader e sublegenti.
• Confronto esaustivo con i generatori: Le sezioni d'urto srotolate (unfolded) vengono confrontate con le previsioni di diversi generatori di eventi ampiamente utilizzati: GENIE (configurazioni MicroBooNE tune e AR23 con vari modelli FSI), NuWro (con e senza FSI raffinata), NEUT e GiBUU (con e senza correzioni in-medium).
• Rilascio dei dati: L'analisi fornisce un rilascio completo dei dati, inclusi le sezioni d'urto misurate per bin, le incertezze totali, le previsioni dei generatori e le matrici di covarianza complete che descrivono le incertezze correlate tra i 183 bin.

Risultati
Il confronto tra i dati e le previsioni dei generatori rivela discrepanze significative, evidenziando la sensibilità di queste osservabili alla modellazione delle interazioni dello stato finale:

• Accordo Globale: Nessun singolo generatore fornisce una descrizione completamente adeguata dell'intero dataset. Il miglior accordo globale è ottenuto da GiBUU 2025 con correzioni in-medium alle sezioni d'urto nucleone-nucleone ($\chi^2/ndof = 428,8/145$), seguito da GiBUO default e dalla configurazione GENIE AR23 hA.
• Sensibilità FSI: I risultati dimostrano una forte sensibilità alla modellazione FSI. Le variazioni dei modelli FSI all'interno della configurazione GENIE AR23 producono un ampio intervallo di valori $\chi^2$ (da 488,1 a 1200,6), indicando che il trattamento della cascata nucleare è un fattore determinante nelle discrepanze tra dati e modelli.
• Discrepanze Specifiche:
  • Molteplicità dei protoni: Si osservano disaccordi significativi nelle distribuzioni della molteplicità dei protoni, in particolare per gli angoli di apertura posteriori e la cinematica dei protoni sublegenti.
  • Angolo di apertura del protone leader: La maggior parte dei generatori sottostima la sezione d'urto per gli eventi a protone singolo ($N_p=1$) ad angoli posteriori ($\cos \theta_{\mu p_1} < 0$).
  • Specifiche dei generatori: NEUT sovrastima sistematicamente gli eventi multi-protone ($N_p \ge 2$) rispetto agli eventi a protone singolo e sovrastima i sistemi adronici ad alta energia. NuWro tende a sottostimare la sezione d'urto a bassi momenti. La configurazione AR23 INCL sottostima sistematicamente la resa totale dei protoni.
  • Protoni sublegenti: Mentre le distribuzioni dei protoni leader mostrano una forte dipendenza dal modello, le distribuzioni angolari dei protoni sublegenti (2°, 3°, 4°) sono generalmente ben riprodotte da tutti i generatori, suggerendo che l'isotropia di queste particelle sia una caratteristica generica della ri-interazione intranucleare meno sensibile a specifici modelli di cascata.

Significatività
L'articolo sostiene che queste misurazioni forniscono un benchmark unico per testare e raffinare la modellazione delle interazioni dello stato finale e dei processi multinucleone nei generatori di eventi per neutrini. I risultati affrontano direttamente le necessità di modellazione dei programmi di fisica DUNE e SBN, che dipendono da una ricostruzione accurata dei sistemi adronici per la stima dell'energia del neutrino e la classificazione degli eventi. Gli autori concludono che, sebbene il framework di trasporto BUU (utilizzato da GiBUU) offra attualmente la descrizione più completa, rimangono significative carenze di modellazione, in particolare nel trattamento degli stati finali a protone singolo ad ampi angoli e nella forza della cascata nucleare. Il rilascio completo dei dati è destinato a consentire alla comunità dei generatori di utilizzare questi risultati per il tuning e la validazione.