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

Resumo Técnico: Seleção de Sinal e Extração Independente de Modelo da Seção de Choque de Neutrinos Muônicos de Corrente Carregada Sem Píons

Declaração do Problema
Experimentos atuais e futuros baseados em aceleradores de neutrinos, como T2K, NOvA, Hyper-Kamiokande e DUNE, visam medições de precisão dos parâmetros de oscilação de neutrinos. No entanto, a incerteza sistemática dominante nessas medições provém da modelagem das interações neutrino-núcleo. Especificamente, os "efeitos nucleares" — incluindo estados iniciais de núcleons, correlações de núcleons e interações de estado final (FSI) — distorcem o espectro de energia do neutrino reconstruído, podendo enviesar a extração de parâmetros de oscilação. Os modelos de interação existentes frequentemente falham em descrever adequadamente os dados em várias regiões cinemáticas. Para abordar isso, há uma necessidade crítica de medições de seção de choque de alta precisão e independentes de modelo que possam isolar e restringir esses efeitos nucleares.

Metodologia
Esta análise apresenta a primeira medição conjunta de interações de neutrinos muônicos de corrente carregada com zero píons e pelo menos um próton ($\nu_\mu$ CC0$\pi$Np) em alvos de carbono e oxigênio usando o ND280 do Detector Próximo do T2K. O estudo utiliza dados coletados entre 2010 e 2017, correspondendo a $11,61 \times 10^{20}$ prótons no alvo (POT).

• Definição e Seleção de Sinal: O sinal é definido como interações que produzem um múon, nenhum píon e pelo menos um próton reconstruído originado do vértice da interação. A análise emprega um algoritmo de seleção de eventos sofisticado aplicado aos volumes fiduciais dos Detectores de Grão Fino (FGD1 e FGD2). A amostra é subdividida com base nos subcomponentes do detector (rastreamento TPC vs. FGD) e no material do alvo (o FGD2 é subdividido adicionalmente em "FGD2X" e "FGD2Y" para aumentar a pureza de oxigênio e carbono, respectivamente).
• Observáveis de Desequilíbrio Cinemático (KI): Para aumentar a sensibilidade aos efeitos nucleares, a seção de choque é medida diferencialmente em dois espaços de dupla dimensão usando observáveis KI:
  1. $\delta p_T$ vs. $\delta \alpha_T$: Desequilíbrio de momento transversal e o ângulo de impulso transversal.
  2. $p_N$ vs. $\cos \theta_\mu$: Momento inicial inferido do núcleon e o ângulo de espalhamento do múon.
     Estes observáveis exploram as correlações entre o lépton de saída e os hádrons para sondar o movimento inicial, correlações de múltiplos núcleons e FSI.
• Controle de Background: Os backgrounds dominantes, primariamente interações $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ e CC1$\pi^0$ onde os píons não são detectados, são tratados via uma abordagem baseada em dados. Uma amostra de controle dedicada, enriquecida em interações $\nu_\mu$ CC1$\pi^+$ (exigindo elétrons de Michel ou traços de píons identificados), é usada para restringir a normalização do background no ajuste.
• Estrutura de Extração: A seção de choque é extraída usando um método de unfolding por ajuste de template com o software GUNDAM. O ajuste utiliza uma função de verossimilhança de bins comparando dados com templates de Monte Carlo (MC). Os parâmetros do ajuste incluem fatores de normalização de sinal não restringidos para cada bin do observável real e parâmetros de perturbação (nuisance parameters) restritos para efeitos de detector, fluxo de neutrinos e modelagem de interação (CCQE, 2p2h, FSI, SPP, etc.). A extração é validada através de testes de cobertura e ajustes de pseudo-dados de física usando geradores alternativos (ex: GENIE) para garantir a independência de modelo.

Principais Contribuições

• Medição Conjunta: Este trabalho fornece a primeira medição simultânea de seções de choque de $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np em ambos os alvos de carbono e oxigênio, abordando a composição nuclear específica do detector de longe Super-Kamiokande.
• Observáveis KI de Dupla Diferencial: A análise introduz medições de dupla diferencial nos espaços $\delta p_T$–$\delta \alpha_T$ e $p_N$–$\cos \theta_\mu$. Estes observáveis são projetados para desacoplar efeitos nucleares sobrepostos, oferecendo maior discriminação entre o movimento do estado inicial, correlações de múltiplos núcleons e interações de estado final em comparação com medições de variável única.
• Extração Independente de Modelo: Ao empregar um ajuste de template com bins de sinal não restringidos e validação rigorosa contra geradores alternativos, a análise extrai seções de choque que são minimamente dependentes do modelo de interação específico usado na simulação.
• Avaliação Abrangente de Incertezas: O estudo inclui uma avaliação detalhada de incertezas sistemáticas, incluindo reconstrução de detector, previsão de fluxo (restringida por dados NA61/SHINE) e modelagem de interação, utilizando amostras de controle e matrizes de covariância.

Resultados
A análise selecionou 9.469 candidatos $\nu_\mu$ CC0$\pi$Np com uma pureza de sinal global de 74,7%. As seções de choque de dupla diferencial extraídas revelam discrepâncias significativas entre os dados e os modelos atuais de interação neutrino-núcleo (especificamente o gerador NEUT usado na simulação).

• Discrepâncias Data-MC: Os dados exibem um excesso de eventos próximos aos picos das distribuições de $\delta p_T$ e $p_N$ em comparação com as previsões de MC. Além disso, o MC tende a superestimar os dados para múons produzidos na direção muito frontal ($\cos \theta_\mu \sim 1$).
• Desempenho do Modelo: Os resultados indicam que os modelos atuais não descrevem adequadamente os dados, particularmente nas regiões sensíveis aos efeitos nucleares. O forte poder de discriminação dos observáveis KI é demonstrado pela clara separação de diferentes contribuições de interação nos espaços de fase 2D.

Significância
O artigo conclui que as discrepâncias observadas destacam a necessidade crítica de uma melhor modelagem nuclear teórica dentro dos geradores de interação de neutrinos. A forte sensibilidade dos observáveis KI aos efeitos nucleares sugere que estas medições são essenciais para reduzir as incertezas sistemáticas em análises de oscilação de neutrinos. Ao fornecer dados de seção de choque precisos e independentes de modelo em carbono e oxigênio, este trabalho apoia o desenvolvimento de modelos de interação mais precisos, o que é um pré-requisito para alcançar os objetivos de alta precisão dos experimentos de oscilação de neutrinos atuais e de próxima geração.