First Measurement of Differential Cross Sections in Kinematic Imbalance Variables with Electron Neutrino Interactions Using the MicroBooNE Detector

Resumo Técnico: Primeira Medição de Seções de Choque Diferenciais em Variáveis de Desequilíbrio Cinemático com Interações de Neutrinos Eletrônicos usando o Detector MicroBooNE

Definição do Problema
As interações de neutrinos eletrônicos ($\nu_e$) constituem o sinal de aparência em experimentos de oscilação de neutrinos baseados em aceleradores, como o programa Short-Baseline Neutrino (SBN) e o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). A modelagem precisa dessas interações é um input central e uma grande fonte de incerteza sistemática em medições de oscilação. Embora estudos recentes de interações de neutrinos muônicos ($\nu_\mu$) tenham utilizado com sucesso variáveis de desequilíbrio cinemático para sondar distribuições de estado fundamental nuclear e efeitos de meio (como interações de estado final, ou FSI), medições diretas para $\nu_e$ em núcleos pesados como o argônio (Ar) permanecem escassas. As medições existentes de seção de choque de $\nu_e$ são frequentemente limitadas, dependem de dados tanto de $\nu_e$ quanto de $\bar{\nu}_e$, ou dependem de inferências extraídas de canais de $\nu_\mu$, que requerem suposições sobre efeitos de massa de lépton e dinâmica nuclear. Consequentemente, há uma necessidade crítica de medições diretas de $\nu_e$-argônio para estabelecer parâmetros de referência (benchmark) e melhorar os modelos de interação usados em oscilações de alta precisão e buscas de eventos raros.

Metodologia
Este trabalho apresenta a primeira medição de seção de choque diferencial única e integrada ao fluxo para interações de corrente carregada (CC) de $\nu_e$ em argônio como uma função de variáveis de desequilíbrio cinemático. A análise utiliza o conjunto de dados completo do MicroBooNE, correspondente a $1,3 \times 10^{21}$ prótons no alvo (POT) do Booster Neutrino Beam (BNB) no Fermilab.

• Definição do Sinal: A análise seleciona eventos com exatamente um elétron visível (energia cinética $>30$ MeV) e um próton visível (energia cinética $>50$ MeV), sem píons carregados acima de 40 MeV e sem píons neutros ou mésons mais pesados. Isso define a topologia CC1e1p0$\pi$. No nível da verdade (truth-level), eventos que satisfazem esta definição de sinal são predominantemente interações de quasielasticidade (QE) (79,0%), com contribuições de processos multinucleares (MEC, 17,3%), interações ressonantes e espalhamento inelástico profundo. O sinal reconstruído selecionado possui uma pureza de 63,0%.
• Observáveis: Dois conjuntos de variáveis de desequilíbrio cinemático são medidos:
  1. Desequilíbrio Cinemático Transversal (TKI): $\delta p_T$ (magnitude do momento faltante transversal) e $\delta \alpha_T$ (ângulo relativo ao momento transversal do lépton). Estas variáveis são sensíveis ao movimento de Fermi e à FSI no plano transversal.
  2. Desequilíbrio Cinemático Generalizado (GKI): $p_n$ (magnitude do momento faltante 3D) e $\alpha_{3D}$ (ângulo 3D). Estes estendem o TKI para três dimensões ao assumir que a energia visível total é igual à magnitude do momento do neutrino incidente, oferecendo sensibilidade aprimorada para separar regiões ricas em FSI das dominadas por interações QE.
• Seleção de Eventos e Reconstrução: Candidatos a eventos são identificados usando duas Árvores de Decisão Potencializadas (BDTs) treinadas em variáveis topológicas e calorimétricas para distinguir o sinal do fundo (principalmente $\pi^0$ e eventos $\nu_\mu$ mal reconstruídos). A seleção resulta em 139 eventos de dados com uma eficiência de 17,3%.
• Unfolding e Comparação: As seções de choque são extraídas usando a técnica de unfolding de decomposição de valor singular de Wiener (Wiener-SVD) com regularização de primeira derivada. Os resultados desdobrados (unfolded) são comparados contra várias configurações de geradores de eventos (GENIE v3.0.6 G18T e G18, GENIE v3.6.0 AR23, NuWro v25.11, GiBUU 2025 e NEUT 6.1.4) processados através do framework NUISANCE e suavizados por matrizes de resposta do detector.

Principais Contribuições

• Primeiro de seu Tipo: Esta é a primeira medição de seções de choque integradas ao fluxo para interações $\nu_e$-argônio como uma função de variáveis de desequilíbrio cinemático.
• Sonda Direta de Efeitos Nucleares: Ao focar exclusivamente em interações de $\nu_e$, a medição fornece uma sonda direta dos efeitos nucleares que regem o estado final com dependência mínima de suposições de reconstrução de energia do neutrino, complementando as inferências feitas a partir de dados de $\nu_\mu$.
• Benchmarking de Modelos: Os resultados fornecem um benchmark abrangente para geradores de eventos, especificamente testando seu tratamento de dinâmica nuclear, FSI e processos multinucleares no canal $\nu_e$.

Resultados
As seções de choque diferenciais medidas foram comparadas com as previsões dos geradores usando métricas $\chi^2$ e p-valores:

• Variáveis de Momento ($\delta p_T$ e $p_n$): Os dados mostram um pico no momento faltante transversal ($\delta p_T$) no primeiro bin ($<160$ MeV/c), enquanto a maioria dos modelos prevê o pico no segundo bin. A previsão GENIE v3.0.6 G18 não ajustada (untuned) mostra a maior concordância para $\delta p_T$, enquanto o modelo G18T ajustado (favorecido em análises de $\nu_\mu$) é menos preferido. Para $\delta p_T$, o NuWro performa relativamente mal com um p-valor de 2,1%. Para $p_n$, os dados favorecem o GiBUU 2025, enquanto o NuWro é efetivamente descartado com um p-valor de 0,1%.
• Variáveis Angulares ($\delta \alpha_T$ e $\alpha_{3D}$): As distribuições de dados para variáveis angulares são geralmente mais planas e situam-se abaixo de algumas previsões, sugerindo que o espaço de fase geral é minimamente afetado pela FSI em comparação com as expectativas. A previsão GENIE G18 não ajustada mostra novamente a maior concordância (p-valores $> 52\%$ para ambos os ângulos). GiBUU, NEUT e AR23 também mostram concordância razoável, enquanto o NuWro performa mal, apesar de ter um desempenho melhor em variáveis angulares do que em variáveis de momento.
• Modelagem de FSI: Os resultados sugerem que o modelo de FSI hA2018 usado no GENIE performa melhor do que o tratamento de cascata intranuclear (INC) no NuWro para estes observáveis. A concordância é geralmente melhor para observáveis angulares ($\delta \alpha_T, \alpha_{3D}$) do que para observáveis de momento ($\delta p_T, p_n$).
• Discrepâncias: Tensões são observadas entre os dados e os modelos em regiões esperadas como menos dominadas por FSI (os dois primeiros bins), indicando a necessidade de uma melhor modelagem de interações CCQE.

Significância e Alegações
O artigo afirma que esta medição fornece um benchmark direto e crucial para melhorar os modelos de interação de neutrinos eletrônicos, que são essenciais para os programas de física do SBN e DUNE. Os autores destacam que a preferência geral pela previsão GENIE G18 não ajustada em todos os observáveis, e a falha específica do modelo G18T ajustado (que funciona bem para $\nu_\mu$), sugere limitações no uso de interações de $\nu_\mu$ para extrapolar pesos de ajuste para interações de $\nu_e$.

Os autores concluem modestamente que, embora a medição seja limitada por incertezas estatísticas e de fluxo, as observações revelam uma necessidade clara de melhor modelagem de CCQE, particularmente em regiões menos dominadas por FSI. Os resultados demonstram que as variáveis de desequilíbrio cinemático são uma ferramenta poderosa para desvendar efeitos nucleares em interações de $\nu_e$, oferecendo uma lente mais detalhada do que as medições de seção de choque tradicionais.