Measurement of the Multi-pion neutrino interaction cross section with the K2K Scintillating-bars detector

Abstract

Uno de los descubrimientos más importantes de los últimos años en física de partículas ha sido el descubrimiento de la oscilación de neutrinos. <br/>Este descubrimiento ha motivado la creación varios experimentos para medir con alta precisión los parámetros de oscilación de los neutrinos. <br/>Para hacer estos experimentos de alta precisión es crucial tener un buen conocimiento de las interacciones de neutrino-nucleón, lo cual es la principal motivación del presente estudio. <br/>La medida de la sección eficaz de interacciones de neutrino en el régimen de energías de pocos GeV es complicada ya que en esta región las diferentes interacciones son tan parecidas que se superponen en los observables cinemáticos. <br/>En esta tesis se presenta la medida de la sección eficaz relativa de producción multi-piones respecto a la interacción cuasi-elástica en corrientes cargadas, obtenida a partir de los datos del experimento K2K. <br/>K2K es el primer experimento de oscilación de neutrinos muónicos a larga distancia donde tanto la producción como la detección de neutrinos se hacen en el laboratorio. <br/>La producción de neutrinos y el detector cercano se encuentran en Tsukuba (Japón) y a 250 Km, en Kamioka (Japón), se encuentra el detector lejano. <br/>Para la medida multi-piones se han utilizado los datos recogidos por SciBar y MRD en el detector cercano. SciBar es un detector formado por barras centelladoras con el que se reconstruye el paso de las partículas producidas por la interacción de neutrinos en su interior. MRD es un detector de muones que nos permite reconstruir los muones. <br/>Los neutrinos pueden interaccionar de diferentes formas con la materia. <br/>Si el neutrino interacciona con un neutrón produciendo un muón y un protón, la interacción se llama cuasi-elástica. <br/>Si en la interacción se produce un muón, un nucleón y dos o más piones, la interacción se llama de multi-pion. <br/>Ambas interacciones son de corrientes cargadas, ya que el neutrino muónico se convierte en un muón cargado en la interacción. <br/>Para el análisis solo se han seleccionado eventos con al menos un muón producido en el volumen fiducial de SciBar y que también sea detectado en MRD. <br/>A partir de estos eventos se han reconstruido seis observables para la identificación de multi-piones y cuasi-elásticos y se han combinado para crear sendas funciones de asimetría de verosimilitud. Estas funciones tiene la propiedad de asignar valores bajos a eventos cuasi-elásticos, tiende a dar valores altos a eventos multi-pion y valores intermedios a las otras interacciones. <br/>Comparando estas funciones en datos y Monte Carlo se han obtenido las secciones eficaces relativas de multi-piones respecto cuasi-elasticos para las regiones de energías de 0.5-2.5 GeV y 2.5-5.0 GeV. <br/>En la medida se han evaluado los posibles errores sistemáticos debido a imprecisiones en el flujo de neutrinos, en la simulación de efectos nucleares, en la respuesta del detector y en los procesos de reconstrucción. <br/>Como resultado se ha obtenido que la sección eficaz relativa de multi-piones respecto de cuasi-elasticos es 0.30 +- 0.07 (est.) +- 0.15 (sis.) para energías de neutrino comprendidas entre 0.5 y 2.5 GeV y 3.9 +- 0.6 (est.) + 1.4 - 1.2 (sis.) para energías de neutrino comprendidas entre 2.5 y 5.0 GeV.

One of the most important discoveries on last years in particle physics is the neutrino oscillation.<br/>This discovery triggered the development of new experiments to measure the neutrino oscillation parameters with better accuracy.<br/>For these high precision experiments it is crucial to have a good knowledge of neutrino-nucleus interactions, and this is the main motivation for the work here presented.<br/>The measurement of neutrino interaction cross sections on the few GeV regime is complicated since the neutrino interactions are so similar that kinematic observables overlaps.<br/>In this thesis the measurement of the relative Multi-pion neutrino interaction cross section with respect to the quasielastic interaction with charged currents is presented. This measurement has been made with K2K data from the SciBar detector.<br/>K2K is the first long-baseline neutrino oscillation experiment ever done with muon neutrino beam.<br/>On that kind of experiment, both the source and the detection of neutrinos are controlled in the lab.<br/>Production and detection of near neutrinos is made in Tsukuba (Japan) and 250 Km away seats the far detector, in Kamioka (Japan). <br/>For the multi-pion measurement, data from the SciBar and MRD near detectors has been used. SciBar is a detector made off scintillating bars that is able to reconstruct the track of particles produced on neutrino interactions inside the detector. MRD is a muon detector that allows us to reconstruct muon energy and angle.<br/>Neutrinos interacts with matter in different ways. When a neutrino interacts with a neutron producing a muon and a proton, the interaction is called quasielastic. When the interaction produces a muon and two or more pions, the interaction is called multi-pion. Both interactions are charged current interactions, since the neutrino becomes a charged particle in the interaction.<br/>Only the events with a muon detected in MRD and starting in SciBar fiducial volume has been used for the analysis. With these events, six observables has been reconstructed to identify multi-pions and quasielastic interactions. These observables has been combined to create a likelihood asymmetry function that has the property to assign low values to quasielastic events and tend to assign high values to multi-pion events. Other interactions get middle values.<br/>From the fit of the asymmetry function from Monte Carlo to data, the multi-pion relative cross section respect to quasielastics has been obtained for the neutrino energy regions 0.5 to 2.5 GeV and 2.5 to 5.0 GeV. <br/>Measurement systematic errors due to neutrino flux, nuclear effects simulation, event reconstruction and detector response uncertainties has been evaluated.<br/>The result of the multi-pion relative cross section respect to quasielastic interactions measurement is 0.30 +- 0.07 (sta.) +- 0.15 (sys.) for neutrino energies between 0.5 and 2.5 GeV and 3.9 +- 0.6 (sta.) + 1.4 - 1.2 (sys.) for neutrino energies between 2.5 and 5.0 GeV.