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

Technische Samenvatting: Eerste dubbel-differentiële dwarsdoorsnede-metingen in proton-multipliciteit en kinematica voor mesonloze $\nu_\mu$ geladen-stroom interacties op argon

Probleemstelling
Nauwkeurige modellering van neutrino-argon interacties is een cruciale systematische onzekerheid voor huidige en toekomstige versneller-gebaseerde neutrino-experimenten, specifiek het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) en het Short-Baseline Neutrino (SBN) programma. Deze experimenten vertrouwen op Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) om de kinematica van de hadronische eindtoestanden te reconstrueren. Een belangrijke uitdaging ligt in het voorspellen van het hadronische systeem, in het bijzonder het aantal (multipliciteit) en de kinematica van de eindtoestand-protonen. De specifieke kanaal van geladen-stroom muon-neutrino verstrooiing die geen mesonen en één of meer protonen produceert (aangeduid als CC0$\pi N_p$) is de dominante topologie bij neutrino-energieën onder de 1 GeV en blijft relevant bij hogere energieën. Eerdere metingen op argon hebben spanningen aangetoond tussen data en event-generator voorspellingen, met name met betrekking tot correlaties tussen kinematische distributies, maar misten de granulariteit om verschillende proton-multipliciteiten te onderscheiden of de rol van final-state interacties (FSI) en multi-nucleonen processen volledig te verkennen.

Methodologie
Deze analyse maakt gebruik van de volledige dataset verzameld door de MicroBooNE detector bij Fermilab van de Booster Neutrino Beam (BNB), wat overeenkomt met een blootstelling van $1.30 \times 10^{21}$ protons on target (POT). De detector is een oppervlakte LArTPC met een actieve massa van 85 metri ton, gelegen op 463 m stroomafwaarts van de target.

De analyse richt zich op CC0$\pi N_p$ events waar de eindtoestand één of meer protonen bevat en geen mesonen. De signaaldefinitie vereist een primaire muon met een momentum $>0.10$ GeV/c en ten minste één proton met een momentum in het bereik $[0.25, 1.00]$ GeV/c. Subsidiaire protonen worden als detecteerbaar beschouwd als hun momentum groter is dan 0.25 GeV/c.

Belangrijke methodologische componenten zijn:

• Event Selectie: De analyse maakt gebruik van de Pandora multi-algoritme patroonherkennings-toolkit voor reconstructie. In tegen afzetting van eerdere MicroBooNE CC0$\pi N_p$ analyses, versoepelt dit werk de muon-containment en kwaliteit-cuts om de selectie-efficiëntie te verhogen (bereikt 39.3% vergeleken met 12.3% in eerder werk), waarbij de focus ligt op proton-multipliciteit en kinematica.
• Observabelen: De studie meet dubbel-differentiële dwarsdoorsneden als functie van:
  • Proton-multipliciteit ($N_p$).
  • De momenta van het leidende tot het vierde leidende proton ($p_{p1}$ tot $p_{p4}$).
  • De muon-proton openingshoeken ($\cos \theta_{\mu p_i}$) voor de eerste vier protonen.
  • De totale beschikbare kinetische energie van het hadronische systeem ($E_{avail}$).
• Unfolding en Correlaties: Om de ware kinematische distributies te herstellen uit gereconstrueerde data, gebruikt de analyse een iteratieve Bayesiaanse unfolding methode (D'Agostini). Een blokwijze aanpak wordt gehanteerd, waarbij bins die dezelfde kinematische distributie vertegenwoordigen worden gegroepeerd in 11 afzonderlijke blokken. Dit maakt het mogelijk om alle distributies simultaan te rapporteren terwijl de volledige cross-block correlaties behouden blijven via een covariantie-matrix.
• Onzekerheidsschatting: Systematische onzekerheden worden geëvalueerd met behulp van een multi-universe benadering, waarbij simulatieparameters worden gevarieerd voor flux-voorspelling, neutrino-kern interactie modellering (inclusclusief herweging naar NuWro om verschillen tussen modellen te overbruggen), hadronische herinteractie en detectorrespons.

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste Meting van Multipliciteit-Afhankelijke Kinematica: Dit artikel presenteert de eerste dubbel-differentiële dwarsdoorsnede-metingen van CC0$\pi N_p$ interacties op argon als functie van proton-multipliciteit en de kinematica van leidende en subsidiaire protonen.
• Uitgebreide Generator Vergelijking: De unfolded dwarsneden worden vergeleken met voorspellingen van verschillende veelgebruikte event generators: GENIE (MicroBooNE tune en AR23 configuraties met diverse FSI modellen), NuWro (met en zonder fine-tuned FSI), NEUT, en GiBUU (met en zonder in-medium correcties).
• Data Release: De analyse biedt een uitgebreide data release inclusief gemeten dwarsneden per bin, totale onzekerheden, generator-voorspellingen, en de volledige covariantie-matrices die de gecorreleerde onzekerheden over de 183 bins beschrijven.

Resultaten
De vergelijking tussen data en generator-voorspellingen onthult significante discrepanties, wat de gevoeligheid van deze observabelen voor de modellering van final-state interacties benadrukt:

• Globale Overeenkomst: Geen enkele generator biedt een volledig adequate beschrijving van de gehele dataset. De beste globale overeenkomst wordt bereikt door GiBUU 2025 met in-medium correcties voor de nucleon-nucleon dwarsdoorsneden ($\chi^2/ndof = 428.8/145$), gevolgd door de standaard GiBUU en de GENIE AR23 hA configuratie.
• FSI Gevoeligheid: De resultaten tonen een sterke gevoeligheid voor FSI-modellering. Variaties in FSI-modellen binnen de GENIE AR23 configuratie leveren een breed scala aan $\chi^2$ waarden op (van 488.1 tot 1200.6), wat aangeeft dat de behandeling van de nucleaire cascade een leidende factor is in de data-model discrepanties.
• Specifieke Discrepanties:
  • Proton Multipliciteit: Significante onenigheid wordt waargenomen in de proton-multipliciteit distributies, met name voor achterwaartse openingshoeken en de kinematica van subsidiaire protonen.
  • Leidende Proton Openingshoek: De meeste generators ondervoorspellen de dwarsdoorsnede voor single-proton events ($N_p=1$) bij achterwaartse hoeken ($\cos \theta_{\mu p_1} < 0$).
  • Generator Specifieke details: NEUT overvoorspelt systematisch multi-proton events ($N_p \ge 2$) ten opzichte van single-proton events en overschat hoog-energetische hadronische systemen. NuWro heeft de neiging om de dwarsdoorsnede bij lage momenta te ondervoorspellen. De AR23 INCL configuratie ondervoorspelt systematisch de totale proton opbrengst.
  • Subsidiaire Protonen: Hoewel de leidende proton distributies een sterke model-afhankelijkheid vertonen, worden de hoekdistributies van subsidiaire protonen (2e, 3e, 4e) over het algemeen goed gereproduceerd door alle generators, wat suggereert dat de isotropie van deze deeltjes een generiek kenmerk is van intranucleaire verstrooiing dat minder gevoelig is voor specifieke cascade-modellen.

Significantie
Het artikel beweert dat deze metingen een unieke benchmark bieden voor het testen en verfijnen van de modellering van final-state interacties en multi-nucleonen processen in neutrino event generators. De resultaten adresseren direct de modelleringsbehoeften van de DUNE en SBN fysica programma's, die vertrouwen op nauwkeurige reconstructie van hadronische systemen voor neutrino-energie schatting en event classificatie. De auteurs concluderen dat hoewel het BUU transport framework (gebruikt door GiBUU) momenteel de meest complete beschrijving biedt, er nog steeds significante modelleringsgebreken zijn, met name in de behandeling van single-proton eindtoestanden bij brede openingshoeken en de sterkte van de nucleaire cascade. De uitgebreide data release is bedoeld om de generator community in staat te stellen deze resultaten te gebruiken voor tuning en validatie.