First double-differential cross-section measurements in proton multiplicity and kinematics for mesonless $\nu_{\mu}$ charged-current interactions on argon using the MicroBooNE detector

Resumo Técnico: Primeiras Medições de Seção de Choque Dobradiferencial em Multiplicidade e Cinemática de Prótons em Interações de Corrente Carregada $\nu_\mu$ Sem Mésons em Argônio

Definição do Problema
A modelagem precisa de interações neutrino-argônio é uma incerteza sistemática crítica para os atuais e futuros experimentos de neutrinos baseados em aceleradores, especificamente o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) e o programa Short-Baseline Neutrino (SBN). Esses experimentos dependem de Câmaras de Projeção Temporal de Argônio Líquido (LArTPCs) para reconstruir os estados finais das interações de neutrinos. Um desafio significativo reside em prever o sistema hadrônico, particularmente o número (multiplicidade) e a cinemática dos prótons no estado final. A seção específica de espalhamento de neutrino de múon de corrente carregada que não produz mésons e um ou mais prótons (denotada como CC0$\pi N_p$) é a topologia dominante em energias de neutrino abaixo de 1 GeV e permanece relevante em energias mais altas. Medições anteriores em argônio mostraram tensões entre os dados e as previsões dos geradores de eventos, particularmente em relação às correlações entre distribuições cinemáticas, mas careciam de granularidade para distinguir diferentes multiplicidades de prótons ou explorar plenamente o papel das interações de estado final (FSI) e processos multinucleares.

Metodologia
Esta análise utiliza o conjunto completo de dados coletados pelo detector MicroBooNE no Fermilab, provenientes do Booster Neutrino Beam (BNB), correspondendo a uma exposição de $1.30 \times 10^{21}$ prótons no alvo (POT). O detector é um LArTPC de superfície com uma massa ativa de 85 toneladas métricas, situado a 463 m a jusante do alvo.

A análise visa eventos CC0$\pi N_p$ onde o estado final contém um ou mais prótons e nenhum méson. A definição do sinal exige um múon primário com momento $>0,10$ GeV/c e pelo menos um próton com momento na faixa de $[0,25, 1,00]$ GeV/c. Prótons subledores são considerados detectáveis se seu momento exceder 0,25 GeV/c.

Componentes metodológicos principais incluem:

• Seleção de Eventos: A análise emprega o toolkit de reconhecimento de padrões de múltiplos algoritmos Pandora para reconstrução. Diferente de análises anteriores de CC0$\pi N_p$ do MicroBooNE, este trabalho relaxa os cortes de contenção e qualidade do múon para aumentar a eficiência de seleção (atingindo 39,3% comparado a 12,3% em trabalhos anteriores), focando, em vez disso, na multiplicidade e cinemática de prótons.
• Observáveis: O estudo mede seções de choque dobriferenciais como uma função de:
  • Multiplicidade de prótons ($N_p$).
  • Momentos do próton líder através do quarto próton líder ($p_{p1}$ até $p_{p4}$).
  • Ângulos de abertura múon-próton ($\cos \theta_{\mu p_i}$) para os quatro primeiros prótons.
  • Energia cinética total disponível do sistema hadrônico ($E_{avail}$).
• Desdobramento (Unfolding) e Correlações: Para recuperar as distribuições cinemáticas reais a partir dos dados reconstruídos, a análise utiliza um método de desdobramento Bayesiano iterativo (D'Agostini). Uma abordagem por blocos é adotada, agrupando bins que representam a mesma distribuição cinemática em 11 blocos distintos. Isso permite o relato simultâneo de todas as distribuições enquanto preserva as correlações integrais entre os blocos via uma matriz de covariância.
• Estimativa de Incerteza: As incertezas sistemáticas são avaliadas usando uma abordagem de múltiplos universos, variando parâmetros de simulação para previsão de fluxo, modelagem de interação neutrino-núcleo (incluindo reponderação para NuWro para abranger diferenças de modelos), reinteração hadrônica e resposta do detector. As incertezas estatísticas contabilizam o compartilhamento de eventos entre múltiplas distribuições.

Principais Contribuições

• Primeira Medição de Cinemática Dependente de Multiplicidade: Este artigo apresenta as primeiras medições de seção de choque dobriferencial de interações CC0$\pi N_p$ em argônio como uma função da multiplicidade de prótons e da cinemática dos prótons líderes e subledores.
• Comparação Abrangente de Geradores: As seções de choque desdobradas são comparadas contra previsões de vários geradores de eventos amplamente utilizados: GENIE (ajuste MicroBooNE e configurações AR23 com vários modelos de FSI), NuWro (com e sem FSI refinada), NEUT e GiBUU (com e sem correções de meio).
• Liberação de Dados: A análise fornece uma liberação abrangente de dados, incluindo seções de choque medidas por bin, incertezas totais, previsões de geradores e as matrizes de covariância completas descrevendo as incertezas correlacionadas entre os 183 bins.

Resultados
A comparação entre os dados e as previsões dos geradores revela discrepâncias significativas, destacando a sensibilidade desses observáveis à modelagem de interações de estado final:

• Acordo Global: Nenhum gerador único fornece uma descrição totalmente adequada de todo o conjunto de dados. O melhor acordo global é alcançado pelo GiBUU 2025 com correções de meio para as seções de choque núcleon-nucleão ($\chi^2/ndof = 428,8/145$), seguido pelo GiBUU padrão e pela configuração GENIE AR23 hA.
• Sensibilidade à FSI: Os resultados demonstram forte sensibilidade à modelagem de FSI. Variações nos modelos de FSI dentro da configuração GENIE AR23 produzem uma ampla gama de valores de $\chi^2$ (de 488,1 a 1200,6), indicando que o tratamento da cascata nuclear é um fator principal nas discrepâncias entre dados e modelos.
• Discrepâncias Específicas:
  • Multiplicidade de Prótons: Discrepâncias significativas são observadas nas distribuições de multiplicidade de prótons, particularmente para ângulos de abertura para trás e cinemática de prótons subledores.
  • Ângulo de Abertura do Próton Líder: A maioria dos geradores subestima a seção de choque para eventos de próton único ($N_p=1$) em ângulos para trás ($\cos \theta_{\mu p_1} < 0$).
  • Especificidades de Geradores: O NEUT superestima sistematicamente eventos de múltiplos prótons ($N_p \ge 2$) em relação a eventos de próton único e superestima sistemas hadrônicos de alta energia. O NuWro tende a subestimar a seção de choque em baixos momentos. A configuração AR23 INCL subestima sistematicamente o rendimento total de prótons.
  • Prótons Subledores: Enquanto as distribuições do próton líder mostram forte dependência de modelo, as distribuições angulares dos prótons subledores (2º, 3º, 4º) são geralmente bem reproduzidas por todos os geradores, sugerindo que a isotropia dessas partículas é uma característica genérica do reespalhamento intranuclear, menos sensível a modelos de cascata específicos.

Significância
O artigo afirma que estas medições fornecem um benchmark único para testar e refinar a modelagem de interações de estado final e processos multinucleares em geradores de eventos de neutrinos. Os resultados abordam diretamente as necessidades de modelagem dos programas de física do DUNE e SBN, que dependem de uma reconstrução precisa de sistemas hadrônicos para estimativa de energia de neutrino e classificação de eventos. Os autores concluem que, embora o framework de transporte BUU (usado no GiBUU) ofereça atualmente a descrição mais completa, deficiências significativas de modelagem permanecem, particularmente no tratamento de estados finais de próton único em ângulos de abertura amplos e na força da cascata nuclear. A liberação abrangente de dados tem como objetivo permitir que a comunidade de geradores utilize estes resultados para ajuste (tuning) e validação.