[論文レビュー] Form factor and model dependence in neutrino-nucleus cross section predictions

Daniel J. Simons, Noah Steinberg+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、グリーン関数モンテカルロ法（GFMC）とスペクトル関数法を比較することで、ニュートリノ-核反応断面積予測における不確実性を定量化し、重イソトープのバブルチェンバーおよび格子QCDから導かれた核子の軸性形因子を用いる。LQCDに基づく形因子は、体系的フィットに比べて断面積を10–20%増加させると判明し、DUNEおよび将来の加速器ニュートリノ実験で1%レベルの断面積精度を達成するための形因子の精度目標を確立した。

ABSTRACT

To achieve its design goals, the next generation of neutrino-oscillation accelerator experiments requires percent-level predictions of neutrino-nucleus cross sections supplemented by robust estimates of the theoretical uncertainties involved. The latter arise from both approximations in solving the nuclear many-body problem and in the determination of the single- and few-nucleon quantities taken as input by many-body methods. To quantify both types of uncertainty, we compute flux-averaged double-differential cross sections using the Green's function Monte Carlo and spectral function methods as well as different parameterizations of the nucleon axial form factors based on either deuterium bubble-chamber data or lattice quantum chromodynamics calculations. The cross-section results are compared with available experimental data from the MiniBooNE and T2K collaborations. We also discuss the uncertainties associated with $N ightarrow Δ$ transition form factors that enter the two-body current operator. We quantify the relations between neutrino-nucleus cross section and nucleon form factor uncertainties. These relations enable us to determine the form factor precision targets required to achieve a given cross-section precision.

研究の動機と目的

• 次世代の加速器ニュートリノ実験に不可欠なニュートリノ-核断面積予測における理論的不確実性を定量化すること。
• 重イソト体のバブルチェンバーからのデータと格子QCD計算に基づく核子の軸性形因子パラメータ化が、断面積予測に与える影響を評価すること。
• 2体のカレント演算子および$N\to\Delta$遷移形因子が断面積モデル化に果たす役割を評価すること。
• ニュートリノ断面積予測において1%レベルの精度を達成するための核子形因子の必要な精度を特定すること。
• 非相対論的GFMCと相対論的スペクトル関数法の結果を比較し、主要な不一致とその原因を同定すること。

提案手法

• 完全な核多体系相関および2体カレントを含むGFMCを用いて、ニュートリノ-核断面積を計算する。
• 相対論的運動論的および一および二体カレント演算子を一貫して取り入れたスペクトル関数（SF）法を用いて、排他的な最終状態をモデル化する。
• 2種類の軸性形因子パラメータ化を適用する：重イソト体のバブルチェンバーからの体系的ダイポールフィットと、格子QCD結果に基づく$z$-展開。
• ミニブーネ、T2Kの二重微分断面積データを、さまざまな運動論的領域で比較する。
• 核子形因子の不確実性が断面積の不確実性にどのように伝播するかを定量化する感度解析を実施する。
• $N\to\Delta$遷移形因子および最終状態相互作用が断面積予測に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 体系的フィットと格子QCDに基づく核子の軸性形因子パラメータ化の違いが、ニュートリノ-核断面積予測にどのように影響するか？
• RQ2 GFMCとスペクトル関数法の間のモデル差が、断面積予測における理論的不確実性にどの程度寄与するか？
• RQ3 ニュートリノ断面積予測において1%レベルの精度を達成するため、核子の軸性および$N\to\Delta$遷移形因子のどの程度の精度が必要か？
• RQ4 なぜGFMCの結果は低$\cos\theta_{\mu}$領域でミニブーネデータと一致しないのか？これは非相対論的近似によるものか？
• RQ5 相対論的効果および最終状態相互作用は、GFMCとスペクトル関数法の予測の一貫性にどのように影響するか？

主な発見

• 格子QCDに基づく軸性形因子は、体系的ダイポールフィットに比べてGFMCおよびスペクトル関数法の断面積を10–20%増加させ、特に低$\cos\theta_{\mu}$領域で最大の効果を示す。
• GFMCとスペクトル関数法は、形因子依存性の不確実性評価において一貫性を示しており、運動論的および力学的差異があるにもかかわらず、その影響は同程度である。
• GFMCとミニブーネデータの低$\cos\theta_{\mu}$領域での不一致は、GFMCの非相対論的性質とミニブーネの高エネルギー尾部に起因している可能性が高い。
• GFMCおよびSF両手法は、いずれの形因子パラメータ化を用いても、T2Kのデータと全運動論的領域で良好な一致を示す。
• 2体カレントの取り入れにより、両モデルとも$M_A \sim 1$ GeVで実験データを再現可能となり、以前のミニブーネとの矛盾を解消した。
• 今後の課題として、GFMCにおける相対論的補正の導入およびスペクトル関数法における一および二体カレント干渉のモデル化が必要である。