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

Technische Samenvatting: Signaalselectie en Model-Onafhankelijke Extractie van de Pionloze Geladen-Stroming Muon-Neutrino Cross-sectie

Probleemstelling
Huidige en toekomstige versneller-gebaseerde neutrino-experimenten, zoals T2K, NOvA, Hyper-Kamiokande en DUNE, streven naar precisie-metingen van neutrino-oscillatieparameters. De dominante systematische onzekerheid in deze metingen komt echter voort uit de modellering van neutrino-kerninteracties. Specifiek "kerneffecten"—inclusief initiële nucleonenstaten, nucleonencorrelaties en final-state interacties (FSI)—vervormen het gereconstrueerde neutrino-energiespectrum, wat potentieel de extractie van oscillatieparameters kan beïnvloeden. Bestaande interactiemodellen slagen er vaak niet in om data adequaat te beschrijven over diverse kinematische regimes. Om dit aan te pakken, is er een kritieke behoefte aan hoog-precieze, model-onafhankelijke cross-sectie-metingen die deze kerneffecten kunnen isoleren en beperken.

Methodologie
Deze analyse presenteert de eerste gezamenlijke meting van muon-neutrino geladen-stroming interacties met nul pionen en ten minste één proton ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) op koolstof- en zuurstofdoelen met behulp van de T2K Near Detector 280 (ND280). De studie maakt gebruik van data verzameld tussen 2010 en 2017, overeenkomend met $11,61 \times 10^{20}$ protonen op doel (POT).

• Signaaldefinitie en Selectie: Het signaal wordt gedefinieerd als interacties die één muon produceren, geen pionen, en ten minste één gereconstrueerd proton dat afkomstig is van de interactievertex. De analyse gebruikt een geavanceerd event-selectiealgoritme toegepast op de fiduciaire volumes van de Fine-Grained Detectors (FGD1 en FGD2). De steekproef wordt onderverdeeld op basis van detector-subcomponenten (TPC versus FGD tracking) en doelmateriaal (FGD2 wordt verder gesplitst in "FGD2X" en "FGD2Y" om de zuiverheid van zuurstof en koolstof te verhogen).
• Kinematische Onbalans (KI) Observabelen: Om de gevoeligheid voor kerneffecten te vergroten, wordt de cross-sectie differentieel gemeten in twee dubbel-dimensionale ruimtes met behulp van KI-observabelen:
  1. $\delta p_T$ versus $\delta \alpha_T$: Transversale momentumonbalans en de transversale boosting-hoek.
  2. $p_N$ versus $\cos \theta_\mu$: Geïnferreerd initiële nucleonmomentum en de muon-verstrooiingshoek.
     Deze observabelen maken gebruik van correlaties tussen het uitgaande lepton en hadronen om de initiële beweging, multi-nucleonencorrelaties en FSI te onderzoeken.
• Achtergrondcontrole: De dominante achtergronden, voornamelijk $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ en CC1$\pi^0$ interacties waarbij pionen gemist worden, worden afgehandeld via een data-gedreven benadering. Een speciale controle-steekproef, verrijkt met $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ interacties (vereisend van Michel-elektronen of geïdentificeerde pion-tracks), wordt gebruikt om de achtergrondnormalisatie in de fit te beperken.
• Extractiekader: De cross-sectie wordt geëxtraheerd met een template-fit unfolding methode met de GUNDAM-software. De fit maakt gebruik van een binned likelihood-functie die data vergelijkt met Monte Carlo (MC) templates. De fit-parameters omvatten onbeperkte signaal-normalisatiefactoren voor elke ware observabele-bin en beperkte nuisance-parameters voor detector-effecten, neutrino-flux en interactie-modellering (CCQE, 2p2h, FSI, SPP, etc.). De extractie wordt gevalideerd door coverage-testen en fysica pseudo-data fits met alternatieve interactiemodellen (bijv. GENIE) om model-onafhankelijkheid te waarborgen.

Belangrijkste Bijdragen

• Gezamenlijke Meting: Dit werk levert de eerste simultane meting van $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np cross-secties op zowel koolstof- als zuurstofdoelen, wat de specifieke nucleaire samenstelling van de Super-Kamiokande far detector adresseert.
• Dubbel-differentiële KI Observabelen: De analyse introduceert dubbel-differentiële metingen in de $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ en $p_N$–$\cos \theta_\mu$ ruimtes. Deze observabelen zijn ontworpen om overlappende kerneffecten te ontkoppelen, en bieden een verbeterde discriminatie tussen initiële beweging, multi-nucleonencorrelaties en final-state interacties vergeleken met single-variable metingen.
• Model-Onafhankelijke Extractie: Door een template-fit te gebruiken met onbeperkte signaal-bins en een rigoureuze validatie tegen alternatieve generatoren, extraheert deze analyse cross-secties die minimaal afhankelijk zijn van het specifieke neutrino-interactiemodel dat in de simulatie wordt gebruikt.
• Omvattende Evaluatie van Onzekerheden: De studie bevat een gedetailleerde evaluatie van systematische onzekerheden, inclusief detector-reconstructie, flux-voorspelling (beperkt door NA61/SHINE data) en interactie-modellering, gebruikmakend van controle-steekproeven en covariantie-matrices.

Resultaten
De analyse selecteerde 9.469 $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np kandidaten met een algehele signaalzuiverheid van 74,7%. De geëxtraheerde dubbel-differentiële cross-secties onthullen significante discrepanties tussen de data en huidige neutrino-kerninteractie-modellen (specifiek de NEUT generator die in de simulatie wordt gebruikt).

• Data-MC Discrepanties: De data vertonen een excess van events nabij de pieken van de $\delta p_T$ en $p_N$ distributies vergeleken met de MC-voorspellingen. Daarnaast heeft de MC de neiging om de data te overschatten voor muonen die in de zeer voorwaartse richting worden geproduceerd ($\cos \theta_\mu \sim 1$).
• Modelprestaties: De resultaten wijzen erop dat huidige modellen de data niet adequaat beschrijven, met name in de regio's die gevoelig zijn voor kerneffecten. Het sterke onderscheidend vermogen van de KI-observabelen wordt aangetoond door de duidelijke scheiding van verschillende interactiebijdragen in de 2D fase-ruimtes.

Significantie
Het artikel concludeert dat de waargenomen discrepanties wijzen op een kritieke behoefte aan verbeterde theoretische kernmodellering binnen neutrino-interactiegeneratoren. De sterke gevoeligheid van de KI-observabelen voor kerneffecten suggereert dat deze metingen essentieel zijn voor het verminderen van systematische onzekerheden in neutrino-oscillatie-analyses. Door precieze, model-onafhankelijke cross-sectie data op koolstof en zuurstof te leveren, ondersteunt dit werk de ontwikkeling van nauwkeurigere interactiemodellen, wat een vereiste is voor het bereiken van de hoog-precieze doelen van huidige en volgende generaties neutrino-oscillatie-experimenten.