Neutrino-argon cross-section measurements from the MicroBooNE experiment

技術要約：MicroBooNE実験によるニュートリノ・アルゴン断面積測定

問題提起
ニュートリノ振動実験の主要な科学的目的には、電荷・パリティ（CP）対称性の破れの探索、ニュートリノ質量階層の決定、およびステライルニュートリノの存在の探究が含まれる。これらの目標に必要な精度を達成するための決定的なボトルネックは、初期状態のニュートリノエネルギーの正確な決定である。ニュートリノは弱く相互作用するため、そのエネルギーは検出された最終状態粒子から間接的に推測されなければならない。その結果、ニュートリノエネルギーの測定における不確かさは、検出器の応答だけでなく、ニュートリノ・原子核断面積のモデリングに大きく起因する。原子核構造の複雑な量子多体性は、第一原理からの断面積計算を極めて困難にしている。イベントジェネレータに実装されている現在の半古典的な理論モデルは、加速器エネルギーにおける原子核標的を用いた実験において、しばしば主要な系統誤差を伴う。さらに、ストレンジ粒子や$\eta$中間子の生成といった稀な過程を理解することは、標準模型を超える物理（BSK）の探索において不可欠である。DUNEのような将来の実験における背景事象の推定を改善し、理論モデルを制約するために、ニュートリノ・アルゴン相互作用に関する高感度な実験データが切実に求められている。

手法
MicroBooNE実験は、フェルミ国立加速器研究所に設置された液体アルゴン時間投影室（LArTPC）を利用している。この検出器は、85トンの液体アルゴンの有効体積、一様な273 V/cmのドリフト電場、および3平面アノードリードアウト・アセンブリを備えている。実験は、2つのFermilabビームライン、すなわちBooster Neutrino Beam (BNB) と Neutrinos at the Main Injector (NuMI) からのニュートリノフラックスに曝されている。

MicroBooNEは、数十万個のイベントを含む大規模なデータセットを解析するための先駆的な再構成ツールを開発した。解析戦略は以下を含む：

• フラックス積分測定： 全曝露量（例：BNBにおける$1.3 \times 10^{21}$ POT）を利用して、全断面積および微分断面積を測定する。
• イベント・トポロジー選択： 最終状態粒子（包括的なチャージカレント（CC）相互作用、ゼロパイオン（CC0$\pi$）チャネル、および特定の陽子多重度（例：運動エネルギー $>35$ MeVの「0p」および「Np」））に基づいてイベントを分類する。
• アンフォールディング技術： 検出器の効果や分解能を補正するためにアンフォールディングされた微分断面積を導出し、結果を正則化された真の空間（truth space）に提示する。
• モデル比較： $\chi^2$および$p$値を用いて、アンフォールディングされたデータと様々な理論モデルおよびイベントジェネレータ（例：GiBUU、NEUT、GENIE）を比較し、一致度を評価する。
• 稀なチャネルの特定： $K^+$、$\Lambda$、および$\eta$生成を含む超稀なチャネルを特定するための高感度な再構成を採用する。これらはしばしば$\mathcal{O}(10^{-41})$ cm$^2$/nucleonのレベルの断面積を持つ。

主な貢献と結果
本論文は、包括的、半包括的、および稀なチャネルにわたる広範なニュートリノ・アルゴン断面積測定プログラムを提示している：

1. 包括的 $\nu_\mu$ チャージカレント（CC）： MicroBooNEは、ゼロまたは複数の再構成された陽子を含むハドロン最終状態に関する、包括的な $\nu_\mu$ CC相互作用の最初の二重微分断面積測定を報告している。

   • 結果によれば、ほとんどのモデルは全ての運動学的領域において同時にデータを記述することに苦慮しているが、GiBUUモデルは、高エネルギー寄与を過小評価しているものの、「0p」ビン（35 MeV以上の再構成された陽子が存在しないイベント）のデータを最も良く記述している。
   • 測定には、リーディング陽子の運動エネルギーおよび陽子多重度が含まれる。

2. チャージカレント・ゼロパイオン（CC0$\pi$）： $\cos \theta_\mu$ および $p_\mu$ に関する、フラックス積分された二重微分断面積の高統計測定が行われた。

   • GiBUUおよびNEUTモデルは、相関のある結合分布と一致を示している（$p$-値 $> 5\%$）。一方で、他のモデルはより低い一致度を示している。

3. ニュートリノ角度の再構成： CC1$p$0$\pi$チャネル（単一のミューオン・陽子対）を用い、入射ニュートリノ方向の再構成精度を調査した。

   • ミューオンと陽子の運動量のベクトル和（$\vec{b} = \vec{p}_\mu + \vec{p}_p$）が、ニュートリノ方向の推定値として機能する。
   • 大部分のイベントにおいて、この推定子の分解能は$5^\circ$よりも優れており、大きなバイアスは見られない。現在のシミュレーションは、大気ニュートリノに近いエネルギーにおいて、推論された方向のバイアスを良好にモデル化していることが判明している。

4. パイオン生成：

   • $\nu_e$ CC1$\pi^\pm$： アルゴン標的における電子ニュートリノのチャージパイオン生成の最初の測定が行われ、全断面積は$(0.93 \pm 0.13(\text{stat}) \pm 0.27(\text{syst})) \times 10^{-39}$ cm$^2$/nucleonであった。微分断面積はジェネレータの予測と一致しているが、現在の感度はフラックスモデリングの系統誤差によって制限されている。
   • NC$\pi^0$： 中性電流中性パイオン生成に関する最初の二重微分断面積測定が報告された。データは、0.2–0.5 GeV/$c$の運動量範囲が最終状態相互作用（FSI）の影響を強く受けていることを示しており、精緻化されたFSIモデリングの必要性を示唆している。

5. 稀な過程：

   • ストレンジ粒子生成： $\bar{\nu}_\mu$ 誘起の $\Lambda$ 生成および $\nu_\mu$ 誘起の $K^+$ 生成の断面積が測定された。これらは既存のデータでは制約が不十分であり、核効果や核子形式因子に敏感である。
   • $\eta$ 中間子生成： アルゴンにおける $\eta$ 中間子生成の最初の測定が行われ、断面積は$3.22 \pm 0.84(\text{stat}) \pm 0.86(\text{syst}) \times 10^{-41}$ cm$^2$/nucleonであった。この過程は高次の共鳴（$N(1535)$、$N(1650)$、$N(1710)$）を探索するものであり、LArTPCにおける電磁エネルギー・スケールの較正のための新しいツールを提供する。

意義
本論文は、これらの測定が、背景事象を制約し、ニュートリノ散乱のモデリングを改善するための極めて貴重なデータセットを提供すると主張している。相互作用の位相空間全体（超稀なチャネルを含む）にわたる非常に高い感度でモデルをベンチマークすることにより、MicroBooNEはニュートリノ振動実験における主要な系統誤差の源に対処している。これらの結果は、将来のショートベースライン・ニュートリノ（SBN）プログラムおよびディープ・アンダーグラウンド・ニュートリノ実験（DUNE）の物理研究にとって極めて重要な入力となり、CP対称性の破れ、質量階層、およびステライルニュートリノ探索に関する彼らの野心的な目標を達成するために必要な精度を可能にするものであると主張されている。さらに、$\eta$ やストレンジ粒子のような稀な崩壊をLArTPCで観測できる能力は、陽子崩壊探索における較正および背景事象除去のための新しいツールを提供する。