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

Technische Samenvatting: Eerste dubbel-differentiële meting van pionloze geladen-stroom muonneutrino-interacties op koolstof en zuurstof

Probleem en Motivatie
Huidige en toekomstige experimenten met lange-basis neutrino-oscillaties, zoals T2K en Hyper-Kamiokande, vertrouwen op nauwkeurige metingen van neutrino-oscillaties door geobserveerde spectra te vergelijken met theoretische voorspellingen. Bij sub-GeV energieën (~0,6 GeV) wordt het signaal gedomineerd door pionloze geladen-stroom (CC0$\pi$) interacties. Standaard reconstructietechnieken gaan uit van quasi-elastische (QE) verstrooiing op een vrije nucleon in rust; echter, nucleaire effecten—inclusief Fermi-beweging, multi-nucleon correlaties (kort/lang bereik), en eindtoestandsinteracties (FSI's)—schenden deze aanname. FSI's kunnen pionen absorberen uit productiekanaals, waardoor events migreren naar de CC0$\pi$ steekproef en de reconstructie van neutrino-energie verstoren.

Bestaande metingen op zuurstof, het primaire doelwit voor Super-Kamiokande en Hyper-Kamiokande, zijn schaars en beperkt tot leptonische kinematica, waarbij een gebrek is aan sensitiviteit voor hadronische eindtoestanden die nodig zijn om complexe nucleaire effecten te onderzoeken. Bijgevolg extrapoleren T2K oscillatie-analyses momenteel koolstof-gebaseerde resultaten van de ND280 near detector naar zuurstof-doelwitten. Deze extrapolatie introduceert significante modelafhankelijkheid, waarbij veelgebruikte interactie-generatoren verschillende koolstof-naar-zuurstof cross-section ratio's voorspellen tot wel ~10%. Om deze modelleringsonzekerheden op te lossen en systematische fouten in oscillatieparameters ($\theta_{23}$, $\Delta m^2_{32}$, $\delta_{CP}$) te verminderen, zijn directe metingen op meerdere doelwitten met behulp van kinematische onbalans-observabelen vereist.

Methodologie
Dit werk presenteert de eerste dubbel-differentiële cross-section meting van $\nu_\mu$ CC0$\pi$ interacties met ten minste één eindtoestand-proton ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) op zowel koolstof- als zuurstofdoelwitten. De analyse maakt gebruik van data verzameld door de T2K-experiment ND280 near detector tussen 2010 en 2017, wat overeenkomt met een blootstelling van $11,61 \times 10^{20}$ protonen op doelwit (POT).

• Doelwitten en Detectie: De analyse maakt gebruik van twee fijnmazige scintillatiedetectoren (FGD's) binnen ND280. FGD1 dient als koolstofdoelwit, terwijl FGD2, bestaande uit afgewisselde plastic scintillator- en waterlagen, een mengsel van koolstof- en zuurstofdoelwitten biedt. Geladen deeltjes worden getraceerd door omliggende time projection chambers (TPC's).
• Signaalselectie: De signaalsteekproef bestaat uit $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np interacties binnen de fiduciale volumes van FGD1 en FGD2. Kinematische restricties worden toegepast op het uitgaande muon ($0,225 < p_\mu < 10$ GeV/c, $\cos\theta_\mu > -0,6$) en het leidende proton ($0,525 < p_p < 1$ GeV/c, $\cos\theta_p > 0,3$) om een goede detectoracceptatie te garanderen. De geselecteerde steekproef bevat 9.469 kandidaten met een geschatte compositie van 70,8% koolstof en 22,3% zuurstof interacties. De algehele signaalzuiverheid is 74,6%.
• Kinematische Onbalans (KI) Observabelen: Om nucleaire effecten te ontrafelen, wordt de meting uitgevoerd als functie van drie KI-observabelen:
  1. Transversale momentumonbalans ($\delta p_T$).
  2. Transversale boostinghoek ($\delta \alpha_T$).
  3. Afgeleide initiële nucleon momentum ($p_N$), die longitudinale informatie incorporeert afgeleid van energie-momentum conservering.
     De analyse rapporteert dubbel-differentiële cross sections in twee complementaire faseruimtes: $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ en $p_N$–$\cos\theta_\mu$.
• Analyse Strategie: Cross sections worden geëxtraheerd met behulp van een template-fit unfolding methode met de GUNDAM software. Het fit-model bevat vrije normalisatieparameters om discrepanties tussen data en MC te verklaren. Systematische onzekerheden van detector simulatie, flux modellering en interactie modellering zijn inbegrepen, waarbij interactie modellering de dominante bron is.
• Modelvergelijking: Gemeten cross sections worden vergeleken met voorspellingen van vier neutrino event generatoren: NEUT v6.1.0, GENIE v3.6.2 (met twee configuraties: G18 10b en AR23 20i), NuWro v25.03.1, en GiBUU v2025p3. Deze modellen maken gebruik van verschillende benaderingen voor nucleon initiële toestanden (Spectral Function versus Local Fermi Gas), multi-nucleon interacties (Valencia versus SuSAv2), en FSI's (Intranuclear Cascade versus transporttheorie).

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste Gezamenlijke Meting: Dit is de eerste dubbel-differentiële meting van $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np cross sections op zowel koolstof als zuurstof simultaan.
• Directe Sensitiviteit: Door beide doelwitten te meten, biedt dit werk directe sensitiviteit aan de correlaties tussen koolstof en zuurstof, een cruciaal ingrediënt voor het verminderen van systematische onzekerheden in experimenten die gebruikmaken van meerdere nucleaire doelwitten.
• Proberen van Nucleaire Effecten: Het gebruik van $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ en $p_N$–$\cos\theta_\mu$ observabelen maakt de scheiding mogelijk tussen initiële-toestand dynamica (Fermi-beweging) en eindtoestandinteracties en multi-nucleon correlaties.
• Zuurstof Specificaties: De meting biedt een unieke probe voor nucleaire effecten in zuurstof, een "dubbel magische" kern, die historisch gezien minder onderzocht is dan koolstof.

Resultaten

• Onzekerheden: De gemeten cross sections vertonen totale relatieve onzekerheden variërend van 15% tot 80%, gedomineerd door statistische fluctuaties (9%–70%). Onder de systematische bronnen draagt neutrino-nucleus interactie modellering 8%–30% bij.
• Modelprestaties:
  • NEUT en NuWro: Deze generatoren, die de Spectral Function (SF) grondtoestand, het Valencia model voor 2p2h interacties, en cascade-gebaseerde FSI's gebruiken, vertonen de beste algemene overeenkomst met de data, wat resulteert in de hoogste p-waarden over de gemeten faseruimtes.
  • GENIE en GiBUU: Deze generatoren vertonen grotere spanningen met de data, met name voor koolstof. Echter, de GENIE AR23 20i configuratie (die short-range correlations en het SuSAv2 model incorporeert) bereikt een betere p-waarde (~0,13) in de $p_N$–$\cos\theta_\mu$ ruimte vergeleken met zijn G18 10b tegenhanger.
  • GiBUU Specificaties: GiBUU beschrijft de hoge-hoek regio ($\delta \alpha_T > 135^\circ$) waar FSI's prominent zijn accuraat, maar faalt in het vatten van de lage-$\delta \alpha_T$ regio die gedomineerd wordt door CCQE interacties, waarschijnlijk door een onderschatte $\delta p_T$ bulk.
• Discrepanties: Alle geteste generatoren onderschatten de data in de intermediaire $\delta p_T$ regio (0,2–0,5 GeV/c) voor koolstof en vertonen vergelijkbare, zij het minder uitgesproken, tekorten voor zuurstof in specifieke hoekregio's. Een vergelijkbaar tekort verschijnt in het intermediaire $p_N$ bereik (0,2–0,4 GeV/c) voor forward-going muons. Deze regio's zijn gevoelig voor short-range correlations (SRCs) en multi-nucleon interacties (npnh), wat suggereert dat de huidige implementaties van deze processen onvoldoende zijn. Daarnaast, voor zuurstof, vertoont de data een hogere cross-section nabij de $p_N$ piek bij grote muon verstrooiingshoeken, wat wijst op een behoefte aan een verfijnde behandeling van de initiële nucleaire toestand in deze fase ruimte.

Betekenis
Het artikel beweert dat deze resultaten een nieuwe en zeer gevoelige probe bieden voor nucleaire effecten, inclusief de initiële beweging van nucleonen, multi-nucleon interacties en FSI's. De gezamenlijke meting biedt een directe test van de verenigde modellering van neutrino-nucleus verstrooiing op koolstof en zuurstof, wat direct relevant is voor de physics programma's van T2K en Hyper-Kamiokande. De bevindingen benadrukken specifieke richtingen waar verbeteringen in neutrino-nucleus interactie modellering noodzakelijk zijn, met name met betrekking tot de beschrijving van SRC's en multi-nucleon interacties. Hoewel de meting momenteel beperkt wordt door statistische onzekerheden, leggen de gevestigde methodologie en inzichten de basis voor meer precieze studies van nucleaire effecten met behulp van toekomstige T2K data van de geüpgradede ND280 detector.