Flux-integrated inclusive and pionless cross sections for charged-current neutrino scattering off ${}^{40}\text{Ar}$ at energies available in the MicroBooNE experiment

Resumo Técnico: Seções de Choque Inclusivas e Sem Píons Integradas ao Fluxo para Espalhamento de Neutrinos de Corrente Carregada sobre $^{40}$Ar

Definição do Problema
O conhecimento preciso das seções de choque de interação neutrino-núcleo ao nível de porcentagem é crítico para experimentos atuais e de próxima geração de oscilação de neutrinos (ex: SBN, DUNE, Hyper-Kamiokande). Embora existam dados extensos para carbono e oxigênio, os dados para argônio permanecem relativamente escassos. Modelos teóricos e geradores de eventos existentes demonstraram incapacidade de descrever dados experimentais com alta precisão, criando uma necessidade de benchmarking detalhado. Especificamente, há um requisito para validar estruturas teóricas contra medições de seções de choque inclusivas e semi-inclusivas (sem píons) integradas ao fluxo para argônio dentro da faixa de energia do Booster Neutrino Beam (BNB), onde processos de quasielasticidade de corrente carregada (CCQE) e correntes de troca de méson (MEC) dominam.

Metodologia
Os autores calculam seções de choque integrais ao fluxo, simples e duplamente diferenciais, para o espalhamento de $\nu_\mu$ sobre $^{40}$Ar usando a Aproximação de Impulso de Onda Distorcida Relativística (RDWIA) combinada com Correntes de Troca de Méson de Dois Partículas-Dois Buracos (2p-2h/MEC).

• Estrutura Teórica:
  • Canal CCQE: Modelado usando RDWIA, que trata estados de núcleons ligados através de soluções autoconsistentes da equação de Dirac dentro de um modelo de partícula independente (IPSM) baseado em um lagrangiano de campo médio relativístico ($\sigma-\omega$). As interações de estado final (FSI) são contabilizadas usando um potencial óptico relativístico fenomenológico (parametrização EDAD1). Estimativas de correlações núcleon-nucleon de curto alcance são utilizadas para considerar componentes de alto momento no alvo.
  • Canal MEC: As contribuições 2p-2h são calculadas usando a abordagem SuSA-MEC, incorporando parametrizações precisas derivadas de cálculos exatos de MEC. Isso inclui mecanismos de troca de um píon (componentes seagull, pion-in-flight, pion-pole e delta-pole).
  • Ressonância e DIS: As contribuições para produção de ressonância (RES) e espalhamento profundo-inelástico (DIS) são avaliadas usando o gerador de eventos GENIE (versão 3.04.00) com a configuração de modelo G18-10a.
  • Fatores de Forma: Os fatores de forma vetoriais utilizam a parametrização MMD, enquanto o fator de forma axial emprega uma parametrização de dipolo com uma massa axial $M_A = 1,2$ GeV, um valor previamente determinado a partir de dados do MiniBooNE.
• Processamento de Dados: As previsões teóricas são integradas ao fluxo sobre o espectro do BNB e "borradas" (smeared) usando a matriz de desdobramento ($A_c$) derivada dos dados do MicroBooNE para facilitar a comparação direta com resultados experimentais.

Principais Contribuições

1. Validação de RDWIA+MEC para Argônio: O estudo fornece um cálculo abrangente de seções de choque diferenciais inclusivas e sem píons (CC0$\pi$) integradas ao fluxo para argônio, especificamente adaptadas às condições experimentais do MicroBooNE.
2. Comparação de Efeitos Nucleares: O artigo realiza uma análise comparativa de seções de choque diferenciais como função da energia cinética do múon para carbono (MiniBooNE) e argônio (MicroBooNE), escalonadas pelo número de nêutrons do alvo. O objetivo é isolar os efeitos do meio nuclear entre os dois núcleos.
3. Benchmarking: O trabalho serve como um benchmark para o refinamento de geradores de eventos de neutrinos e modelos teóricos, abordando a discrepância entre modelos existentes e dados de alta precisão.

Resultados

• Seções de Choque Inclusivas: As seções de choque duplamente diferenciais ($d^2\sigma/d\varepsilon_\mu d\cos\theta$) e simples diferenciais ($d\sigma/d\varepsilon_\mu$ e $d\sigma/d\cos\theta$) calculadas mostram boa concordância com os dados do MicroBooNE dentro das incertezas experimentais (que excedem 10%).
  • A contribuição CCQE domina, respondendo por aproximadamente 50% da seção de choque total, com MEC contribuindo com ~16%, RES com ~26% e DIS com ~8%.
  • A fração CCQE aumenta com a energia do múon, atingindo ~65% acima de 1,2 GeV.
  • Discrepâncias menores são observadas: o modelo superestima levemente os dados na faixa de $0,8 < \cos\theta < 0,9$ e subestima na faixa de $0,9 < \cos\theta < 1,0$. Uma leve subestimação sistemática é observada para energias de múon $E_\mu > 0,8$ GeV.
• Seções de Choque Sem Píons (CC0$\pi$): Para o espalhamento sem píons, o modelo prevê que interações do tipo CCQE (CCQE + MEC) fornecem a contribuição dominante. As seções de choque duplamente diferenciais ($d^2\sigma/dp_\mu d\cos\theta$) e simples diferenciais ($d\sigma/dp_\mu$ e $d\sigma/d\cos\theta$) calculadas concordam geralmente com os dados do MicroBooNE dentro das grandes incertezas experimentais (que excedem 15%).
• Comparação Carbono vs. Argônio: Ao comparar as seções de choque sem píons por nêutron para carbono e argônio, a diferença teórica calculada é de aproximadamente 6%, mostrando dependência fraca em relação à energia do múon. No entanto, a comparação dos dados experimentais do MiniBooNE e MicroBooNE mostra consistência dentro de suas respectivas incertezas (que excedem 10%). Consequentemente, a precisão experimental atual é insuficiente para estimar quantitativamente a diferença nos efeitos nucleares entre os dois núcleos.

Significância e Alegações
O artigo alega que a abordagem RDWIA+MEC descreve com sucesso as seções de choque simples e duplamente diferenciais medidas para o argônio dentro das incertezas experimentais. Os autores enfatizam que, embora os dados atuais validem o modelo, a precisão das medições existentes (incertezas >10%) impede uma extração quantitativa definitiva das diferenças de efeitos nucleares entre carbono e argônio.

Os autores concluem que, para que futuros experimentos (como os planejados para o detector SAND do DUNE) consigam estudar com sucesso as diferenças nos efeitos nucleares entre alvos de carbono e argônio em energias abaixo de 2 GeV, é crucial medir as seções de choque diferenciais com uma precisão melhor que 6%. Este trabalho ressalta a necessidade de medições de alta precisão para refinar modelos de seção de choque multi-alvo e minimizar incertezas sistemáticas associadas aos efeitos do meio nuclear em futuras análises de oscilação de neutrinos.