Cross section measurement of the muon neutrino charged current single positive pion interaction on hydrocarbon using the T2K near detector with 4∏ solid angle acceptance

Abstract

T2K és un experiment de neutrinos de base llarga situat a Japó que té com a objectiu medir les oscil·lacions de neutrinos. La línia de llum de neutrins està dissenyada perquè l’espectre d’energia dels neutrins es pugui ajustar, fet que converteix T2K en el primer experiment a utilitzar fora de l’eix. Un accelerador produeix neutrins, que se detecten en un complex de detectors propers i un detector llejano (Super-Kamiokande). Las interaccions de corriente cargada de neutrino muónico en el detector cercano (ND280) s’utilitzen per determinar la tasa d’esdeveniments en el detector lejano i restringir millor els paràmetres de la secció eficaç, que és dominant en l’anàlisi de l’oscil·lació, junt amb la incertesa. en el flux. Presentem l’estudi de les interaccions de corrent carregada al carboni amb un sol pió carregat positivament a l’estat final en el detector proper fora del T2K. Esta senyal, definit com un muó amb càrrega negativa (amb acceptació d’angle sòlid de 4$\pi$), un pió amb càrrega positiva (que es pot observar en el TPC, com una pista aislada en el FGD oa través de l’etiquetatge de electrones de Michel), no mesones i qualsevol nombre de nucleons com a partícules d’estat final. Aquesta senyal constituye l’antecedent principal per a la medició de la desaparició de neutrins muònics quan no es veu el pió carregat, i el seu coneixement preciso és rellevant per a tots els experiments d’oscil·lació de neutrins actuals i planificats. La producció d’un sol pió és sensible principalment als processos ressonants, amb algunes contribucions a la producció de pions no ressonants i coherents. A més, s’han de considerar les interaccions d’estat final en l’objectiu nuclear. La medició de la senyal CC$1\pi^+$ es basa en un resultat anterior, amb canvis significatius en els rangs de partícules cinemàtiques considerades, acceptació d’angles sòlids, un augment en les estadístiques i un nou tractament per a l’avaluació i propagació de incertidumbres sistemàtics. Aquesta tesis ha produït un conjunt de seccions transversals CC$1\pi^+$ de neutrinos muònics de flux integrat en hidrocarburs utilitzant les dades del detector proper fora del T2K. Aquestes mesures de secció transversal s’utilitzen per reduir la sistemàtica relacionada amb el model, que serà especialment important per als experiments d’oscil·lació de la propera generació. Los ángulos de Adler son observables y transportan información sobre la polarización de la resonancia Delta y la interferencia con la producción de un solo pión no resonante. Es van mesurar estadístiques limitades en experiments de càmera de burbuixes, però és possible medir els angles d’Adler per a la producció de pions carregats individuals en interaccions de neutrins amb nuclis pesats blancs.

T2K es un experimento de neutrinos de base larga ubicado en Japón que tiene como objetivo medir las oscilaciones de neutrinos. La línea de luz de neutrinos está diseñada para que el espectro de energía de los neutrinos se pueda ajustar, lo que convierte a T2K en el primer experimento en usar fuera del eje. Un acelerador produce neutrinos, que se detectan en un complejo de detectores cercanos y un detector lejano (Super-Kamiokande). Las interacciones de corriente cargada de neutrino muónico en el detector cercano (ND280) se utilizan para predecir la tasa de eventos en el detector lejano y restringir mejor los parámetros de la sección eficaz, que es dominante en el análisis de oscilación, junto con la incertidumbre en el flujo. Presentamos el estudio de las interacciones de corriente cargada en el carbono con un solo pión cargado positivamente en el estado final en el detector cercano fuera del eje T2K. Esta señal, definida como un muón con carga negativa (con aceptación de ángulo sólido de 4$\pi$), un pión con carga positiva (que se puede observar en el TPC, como una pista aislada en el FGD o a través del etiquetado de electrones de Michel), no mesones y cualquier número de nucleones como partículas de estado final. Esta señal constituye el antecedente principal para la medición de la desaparición de neutrinos muónicos cuando no se observa el pión cargado, y su conocimiento preciso es relevante para todos los experimentos de oscilación de neutrinos actuales y planificados. La producción de un solo pión es sensible principalmente a los procesos resonantes, con algunas contribuciones a la producción de piones no resonantes y coherentes. Además, se deben considerar las interacciones de estado final en el objetivo nuclear. La medición de la señal CC$1\pi^+$ se basa en un resultado anterior, con cambios significativos en los rangos de partículas cinemáticas considerados, aceptación de ángulos sólidos, un aumento en las estadísticas y un nuevo tratamiento para la evaluación y propagación de incertidumbres sistemáticas. Esta tesis ha producido un conjunto de secciones transversales CC$1\pi^+$ de neutrinos muónicos de flujo integrado en hidrocarburos utilizando los datos del detector cercano fuera del eje T2K. Estas medidas de sección transversal se utilizan para reducir la sistemática relacionada con el modelo, que será especialmente importante para los experimentos de oscilación de próxima generación. Los ángulos de Adler son observables y transportan información sobre la polarización de la resonancia Delta y la interferencia con la producción de un solo pión no resonante. Se midieron con estadísticas limitadas en experimentos de cámara de burbujas, pero es posible medir los ángulos de Adler para la producción de piones cargados individuales en interacciones de neutrinos con núcleos pesados blanco.

T2K is a long-baseline neutrino experiment located in Japan that aims to measure neutrino oscillations. The neutrino beamline is designed so that the neutrino energy spectrum can be tuned making T2K the first experiment to use off-axis. An accelerator produces neutrinos, which are detected in a near detector complex and a far detector (Super-Kamiokande). The muon neutrino charged current interactions in the near detector (ND280) are used to predict the event rate at the far detector and better constrain the cross section parameters, which is dominant in the oscillation analysis, together with the flux uncertainty. We present the study of charged current interactions on carbon with a single positively charged pion in the final state at the T2K off-axis near detector. This signal, defined as a single negatively charged muon and a single positively charged pion exiting from the target nucleus with 4$\pi$ solid angle acceptance, constitutes the main background for the muon neutrino disappearance measurement when the charged pion is not observed, and its precise knowledge is relevant for all current and planned neutrino oscillation experiments. Single pion production is sensitive mainly to resonant processes, with some non-resonant and coherent pion production contributions. Additionally, final-state interactions in the nuclear target have to be considered. The CC$1\pi^+$ signal measurement builds on a previous result, with significant changes to the kinematic particle ranges considered, solid angle acceptance, an increase in statistics, and a new treatment for the evaluation and propagation of systematic uncertainties. This thesis has produced a set of flux integrated muon neutrino CC1pi+ cross sections on hydrocarbon using the T2K off-axis near detector data. These cross section measurements are used to reduce model-related systematics, which will be particularly important for next generation oscillation experiments. Adler Angles are observable carrying information about the polarization of the Delta resonance and the interference with the non-resonant single pion production. They were measured with limited statistics in bubble chamber experiments, but it is possible to measure the Adler angles for single charged pion production in neutrino interactions with heavy nuclei as the target.