Probing Nuclear Effects with Transverse Kinematic Imbalance in Muon-neutrino Induced Charged-Current $\pi^0$ Production on Argon with the MicroBooNE Detector

Resumo Técnico: Sondagem de Efeitos Nucleares com Desequilíbrio Cinemático Transversal na Produção de $\pi^0$ Induzida por Neutrino de Múon em Argônio

Enunciado do Problema
Medições de precisão de oscilação de neutrinos em experimentos futuros, como o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Hyper-Kamiokike e o programa Short-Baseline Neutrino, dependem da reconstrução precisa da energia do neutrino incidente a partir de partículas do estado final. Essa reconstrução é contingente à modelagem confiável das interações neutrino-núcleo. Uma fonte significativa de incerteza sistemática surge de efeitos nucleares, particularmente interações de estado final (FSI), que alteram os momentos e as multiplicidades de partículas que emergem do núcleo. Na faixa de energia de 1–4 GeV, a produção ressonante de píons (dominada pela ressonância $\Delta(1232)$) é um canal de interação primário. No entanto, os modelos existentes lutam para descrever simultaneamente a complexa interação entre excitação de ressonância, decaimento e propagação hadrônica através do meio nuclear. Especificamente, a produção de píon neutro ($\pi^0$) é um fundo crítico para buscas de aparência de neutrino eletrônico devido ao seu decaimento em fótons, que podem mimetizar assinaturas de elétrons. Há uma necessidade de medições de alta estatística em alvos de argônio para restringir esses modelos, uma vez que dados anteriores em carbono (por exemplo, da MINERvA) podem não capturar totalmente a dinâmica nuclear específica do argônio.

Metodologia
A colaboração MicroBooNE apresenta uma medição de interações de corrente carregada (CC) de neutrino de múon em argônio resultando em um estado final de um múon, um $\pi^0$ e pelo menos um próton ($\nu_\mu$CCNp1$\pi^0$). A análise utiliza o conjunto completo de dados do MicroBooNE Booster Neutrino Beam (BNB), correspondendo a $1.10 \times 10^{21}$ prótons-no-alvo (POT).

Componentes metodológicos principais incluem:

• Seleção de Eventos: Os eventos são categorizados como contidos totalmente (FC) ou parcialmente contidos (PC). Os critérios de seleção exigem um múon reconstruído com energia cinética $T_\mu > 40$ MeV, pelo menos um próton com $T_p > 60$ MeV e exatamente um $\pi^0$ reconstruído (identificado via chuvas de $\gamma\gamma$). Eventos com píons carregados ou mésons pesados acima de 40 MeV são rejeitados para suprimir fundos de espalhamento inelástico profundo (DIS).
• Reconstrução: A análise emprega um algoritmo atualizado de Espalhamento Coulombiano Múltiplo (MCS) para múons parcialmente contidos e conversão de carga-para-energia refinada para chuvas eletromagnéticas. A eficiência de sinal é de 12,7% com uma pureza de 75,6%.
• Desequilíbrio Cinemático Transversal (TKI): O estudo foca em variáveis de TKI, que caracterizam o desequilíbrio de momento no plano transversal à direção do feixe de neutrinos. Estas variáveis ($\delta p_T$, $\delta \alpha_T$, $\delta p^x_T$, $\delta p^y_T$) são sensíveis a efeitos nucleares como o movimento de Fermi e FSI. O momento hadrônico líder é definido como $\vec{p}_h = \vec{p}_{\pi^0} + \vec{p}_p$.
• Estrutura de Análise: Seções de choque diferenciais são extraídas usando uma abordagem de unfolding por blocos (Wiener-SVD) para preservar as correlações entre observáveis. As incertezas sistemáticas de fluxo, modelagem de interação e resposta do detector são propagadas via matrizes de covariância.
• Validação de Modelo: Testes de bondade de ajuste (GoF) são realizados no espaço reconstruído usando restrições condicionais derivadas de observáveis bem medidos para aumentar a sensibilidade à má modelagem.
• Simulação: As previsões são comparadas contra vários geradores de interação de neutrinos: GENIE v3.0.6 (MicroBooNE tune G18T e DUNE baseline AR23), NuWro 25.11, NEUT v5.4.0.1 e GiBUU 2025. Um procedimento de reponderação atualizado é aplicado à simulação GENIE para corrigir uma sobrepredição da seção de choque de troca de carga de píon (CEX).

Contribuições Principais

• Primeira Medição em Argônio com TKI: Este trabalho fornece a primeira medição de interações tipo ressonância de $\nu_\mu$ em argônio usando variáveis de desequilíbrio cinemático transversal.
• Caracterização Cinemática Abrangente: O artigo reporta dez medições de seção de choque diferencial única cobrindo a cinemática do múon, do $\pi^0$ e do próton líder, bem como dos quatro observáveis de TKI.
• Definição de Sinal Melhorada: Ao exigir pelo menos um próton no estado final, a análise aumenta a fração de interações de ressonância bariônica na amostra selecionada em comparação com medições inclusivas de $\pi^0$ anteriores.
• Estatística e Pureza Aprimoradas: O uso do conjunto completo de dados e critérios de seleção atualizados resulta em estatísticas significativamente maiores e pureza de sinal melhorada (75,6%) em comparação com resultados anteriores do MicroBooNE.
• Tratamento Sistemático de FSI: A análise incorpora uma reponderação dedicada do modelo de transporte de hádrons intranucleares do GENIE para abordar discrepâncias nas taxas de troca de carga de píon.

Resultados

• Seção de Choque: A seção de choque integrada ao fluxo é medida como $1,62 \times 10^{-38}$ cm$^2$/Ar.
• Comparação de Modelos:
  • Distribuições Cinemáticas: As distribuições de energia cinética das partículas do estado final são geralmente bem reproduzidas pelos geradores, com o NEUT mostrando o melhor acordo geral para variáveis individuais. No entanto, discrepâncias significativas de forma são observadas nas distribuições angulares. Todos os geradores sobrepredizem múons indo para a frente (potencialmente ligados à modelagem de bloqueio de Pauli) e subpredizem $\pi^0$s e prótons indo para a frente.
  • Observáveis de TKI: Os dados exibem uma distribuição de desequilíbrio de momento transversal ($\delta p_T$) mais estreita do que a prevista pela maioria dos geradores, sugerindo uma superestimação do alargamento do momento transversal nos modelos. Além disso, a distribuição do ângulo de abertura transversal ($\delta \alpha_T$) mostra que os modelos subestimam os dados em grandes ângulos (próximos a 180$^\circ$), uma região associada à desaceleração do sistema hadrônico devido à FSI.
  • Acordo Global: Nenhum gerador único alcança um acordo uniformemente bom em todos os dez observáveis. Ao considerar a matriz de covariância completa, o GENIE (G18T) produz o melhor acordo geral, seguido de perto pelo NEUT. O modelo GiBUU T2 inmed mostra um desacordo substancial, particularmente em observáveis de $\pi^0$.
• Comparação com MINERvA: Embora ambas as medições em argônio e carbono mostrem que os modelos sobrepredizem a largura da distribuição de $\delta p^x_T$, os dados do MicroBooNE em argônio revelam uma preferência mais forte para o vetor de desequilíbrio estar orientado oposto à direção do múon (grande $\delta \alpha_T$) do que observado nos dados de carbono da MINERvA.

Significância
O artigo afirma que esta medição fornece restrições rigorosas aos modelos de produção de ressonância e transporte hadrônico em núcleos. Os resultados destacam que os modelos de interação atuais carecem da precisão para reproduzir simultaneamente todos os observáveis cinemáticos e de TKI medidos. Especificamente, as discrepâncias nos observáveis de TKI sugerem deficiências na modelagem da correlação entre a magnitude e a direção do desequilíbrio de momento transversal, apontando para problemas não resolvidos na descrição do re-espalhamento hadrônico e efeitos nucleares. Esses achados são essenciais para reduzir as incertezas sistemáticas em futuros experimentos de oscilação de neutrinos de longo alcance, particularmente o DUNE, onde a produção de ressonância é um canal de interação dominante. O trabalho constitui um passo necessário para o aprimoramento da modelagem de interação necessária para a física de precisão.