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

Resumo Técnico: Primeira Medição de Diferencial Dupla de Interações de Neutrinos Muônicos de Corrente Carregada Sem Píons em Carbono e Oxigênio

Problema e Motivação
Experimentos atuais e futuros de oscilação de neutrinos de longa linha de base, como T2K e Hyper-Kamiokande, dependem de medições precisas de oscilações de neutrinos comparando espectros observados com previsões teóricas. Em energias sub-GeV (~0,6 GeV), o sinal é dominado por interações de corrente carregada sem píons (CC0$\pi$). As técnicas de reconstrução padrão assumem espalhamento quase elástico (QE) sobre um núcleon livre em repouso; no entanto, efeitos nucleares — incluindo o movimento de Fermi, correlações multinucleônicas (curto/longo alcance) e interações de estado final (FSIs) — violam essa suposição. As FSIs podem absorver píons de canais de produção, migrando eventos para a amostra CC0$\pi$ e distorcendo a reconstrução da energia do neutrino.

Medições existentes em oxigênio, o alvo principal para o Super-Kamiokande e Hyper-Kamiokande, são escassas e limitadas à cinemática leptônica, carecendo de sensibilidade aos estados finais hadrônicos necessários para sondar efeitos nucleares complexos. Consequentemente, as análises de oscilação do T2K extrapolam atualmente resultados baseados em carbono do detector próximo (ND280) para alvos de oxigênio. Essa extrapolação introduz dependência de modelo significativa, com geradores de interação amplamente utilizados prevendo razões de seção de choque de carbono para oxigênio com diferenças de até ~10%. Para resolver essas incertezas de modelagem e reduzir erros sistemáticos nos parâmetros de oscilação ($\theta_{23}$, $\Delta m^2_{32}$, $\delta_{CP}$), são necessárias medições diretas em múltiplos alvos usando observáveis de desequilíbrio cinemático.

Metodologia
Este trabalho apresenta a primeira medição de seção de choque de diferencial dupla de interações $\nu_\mu$ CC0$\pi$ com pelo menos um próton no estado final ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) em ambos os alvos de carbono e oxigênio. A análise utiliza dados coletados pelo detector próximo ND280 do experimento T2K entre 2010 e 2017, correspondendo a uma exposição de $11,61 \times 10^{20}$ prótons no alvo (POT).

• Alvos e Detecção: A análise emprega dois detectores de cintilador de grão fino (FGDs) dentro do ND280. O FGD1 serve como um alvo de carbono, enquanto o FGD2, composto por camadas intercaladas de cintilador plástico e água, fornece uma mistura de alvos de carbono e oxigênio. Partículas carregadas são rastreadas pelos TPCs circundantes.
• Seleção de Sinal: A amostra de sinal consiste em interações $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np dentro dos volumes fiduciais de FGD1 e FGD2. Restrições cinemáticas são aplicadas ao múon de saída ($0,225 < p_\mu < 10$ GeV/c, $\cos\theta_\mu > -0,6$) e ao próton líder ($0,525 < p_p < 1$ GeV/c, $\cos\theta_p > 0,3$) para garantir boa aceitação do detector. A amostra selecionada contém 9.469 candidatos com uma composição estimada de 70,8% de interações de carbono e 22,3% de oxigênio. A pureza geral do sinal é de 74,6%.
• Observáveis de Desequilíbrio Cinemático (KI): Para separar os efeitos nucleares, a medição é realizada como uma função de três observáveis de KI:
  1. Desequilíbrio de momento transversal ($\delta p_T$).
  2. Ângulo de boost transversal ($\delta \alpha_T$).
  3. Momento inicial inferido do núcleon ($p_N$), que incorpora informações longitudinais derivadas da conservação de energia-momento.
     A análise reporta seções de choque de diferencial dupla em dois espaços de fase complementares: $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ e $p_N$–$\cos\theta_\mu$.
• Estratégia de Análise: As seções de choque são extraídas usando um método de unfolding de ajuste de template com o software GUNDAM. O modelo de ajuste inclui parâmetros de normalização livres para contabilizar discrepâncias entre dados-MC. Incertezas sistemáticas provenientes de simulação de detector, modelagem de fluxo e modelagem de interação foram incluídas, sendo a modelagem de interação a fonte dominante.
• Comparação de Modelos: As seções de choque medidas são comparadas com as previsões de quatro geradores de eventos de neutrinos: NEUT v6.1.0, GENIE v3.6.2 (usando duas configurações: G18 10b e AR23 20i), NuWro v25.03.1 e GiBUU v2025p3. Esses modelos empregam várias abordagens para estados iniciais de núcleons (Função Espectral vs. Gás de Fermi Local), interações multinucleônicas (Valencia vs. SuSAv2) e FSIs (Cascata Intranuclear vs. teoria de transporte).

Principais Contribuições

• Primeira Medição Conjunta: Esta é a primeira medição de diferencial dupla das seções de choque $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np tanto em carbono quanto em oxigênio simultaneamente.
• Sensibilidade Direta: Ao medir ambos os alvos, este trabalho fornece sensibilidade direta às correlações entre carbono e oxigênio, um ingrediente crítico para reduzir incertezas sistemáticas em experimentos que utilizam múltiplos núcleos.
• Sondagem de Efeitos Nucleares: O uso dos observáveis $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ e $p_N$–$\cos\theta_\mu$ permite a separação da dinâmica do estado inicial (movimento de Fermi) de interações de estado final e correlações multinucleônicas.
• Especificidades do Oxigênio: A medição oferece uma sonda única de efeitos nucleares em oxigênio, um núcleo "duplamente mágico", que tem sido historicamente menos estudado em comparação ao carbono.

Resultos

• Incertezas: As seções de choque medidas exibem incertezas relativas totais variando de 15% a 80%, dominadas por flutuações estatísticas (9%–70%). Entre as fontes sistemáticas, a modelagem de interação neutrino-núcleo contribui com 8%–30%.
• Desempenho dos Modelos:
  • NEUT e NuWro: Estes modelos, que utilizam a Função Espectral (SF) como estado fundamental, o modelo de Valencia para interações 2p2h e FSIs baseadas em cascata, mostram o melhor acordo geral com os dados, produzindo os maiores p-valores em todos os espaços de fase medidos.
  • GENIE e GiBUU: Estes geradores exibem maiores tensões com os dados, particularmente para o carbono. No entanto, a configuração GENIE AR23 20i (incorporando correlações de curto alcance e o modelo SuSAv2) alcança um p-valor melhor (~0,13) no espaço $p_N$–$\cos\theta_\mu$ em comparação com sua contraparte G18 10b.
  • Especificidades do GiBUU: O GiBUU descreve com precisão a região de alto ângulo ($\delta \alpha_T > 135^\circ$) onde as FSIs são proeminentes, mas falha em capturar a região de baixo $\delta \alpha_T$ dominada por interações CCQE, provavelmente devido a um bulk de $\delta p_T$ subestimado.
• Discrepâncias: Todos os geradores testados subestimam os dados na região intermediária de $\delta p_T$ (0,2–0,5 GeV/c) para o carbono e mostram déficits semelhantes, embora menos pronunciados, para o oxigênio em regiões angulares específicas. Um déficit comparável aparece na faixa intermediária de $p_N$ (0,2–0,4 GeV/c) para múons que seguem para a frente. Essas regiões são sensíveis a correlações de curto alcance (SRCs) e interações multinucleônicas (npnh), sugerindo que as implementações atuais desses processos são insuficientes. Além disso, para o oxigênio, os dados mostram uma seção de choque maior perto do pico de $p_N$ em grandes ângulos de espalhamento de múons, indicando a necessidade de um tratamento refinado do estado nuclear inicial neste espaço de fase.

Significância
O artigo afirma que estes resultados fornecem uma sonda inovadora e altamente sensível de efeitos nucleares, incluindo o movimento inicial do núcleon, interações multinucleônicas e FSIs. A medição conjunta oferece um teste direto da modelagem unificada do espalhamento neutrino-núcleo em carbono e oxigênio, o que é diretamente relevante para os programas de física do T2K e Hyper-Kamiokande. As descobertas destacam direções específicas onde melhorias na modelagem de interação neutrino-núcleo são necessárias, particularmente no que diz respeito à descrição de SRCs e interações multinucleônicas. Embora a medição seja atualmente limitada por incertezas estatísticas, a metodologia e os insights estabelecidos aqui lançam as bases para estudos mais precisos de efeitos nucleares usando dados futuros do T2K com o detector ND280 atualizado.