[论文解读] 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 6

一句话总结

本文通过比较格林函数蒙特卡罗方法与谱函数方法，量化了中微子-核截面预测中的不确定性，采用氘气泡室和格点QCD计算得到的核子轴向形式因子。结果表明，基于格点QCD的形式因子使截面值比经验拟合结果提高10–20%，并确定了实现DUNE及未来加速器中微子实验所需百分之一精度截面预测所必需的形式因子精度目标。

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.

研究动机与目标

• 量化下一代加速器中微子实验所必需的中微子-核截面预测中的理论不确定性。
• 评估基于氘气泡室数据与格点QCD计算的核子轴向形式因子参数化对截面预测的影响。
• 评估两体电流算符与$N\to\Delta$跃迁形式因子在截面建模中的作用。
• 确定实现中微子截面预测百分之一精度所需核子形式因子的精度。
• 比较非相对论性GFMC与相对论性谱函数方法的结果，识别关键差异及其来源。

提出的方法

• 使用格林函数蒙特卡罗（GFMC）方法，考虑完整的核关联与两体电流，计算中微子-核截面。
• 采用谱函数（SF）方法，利用相对论性运动学与一致的一体与两体电流算符，建模末态的独态。
• 应用两种轴向形式因子参数化：基于氘气泡室数据的经验性单极拟合，以及基于格点QCD结果的$z$-展开。
• 将预测结果与MiniBooNE和T2K在不同动量空间区域的双微分截面数据进行比较。
• 进行敏感性分析，量化核子形式因子不确定性向截面不确定性传播的影响。
• 评估$N\to\Delta$跃迁形式因子与末态相互作用对截面预测的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同核子轴向形式因子参数化（经验性 vs. 格点QCD）如何影响中微子-核截面预测？
• RQ2 GFMC与谱函数方法之间的模型差异在多大程度上导致截面预测的理论不确定性？
• RQ3 为实现中微子截面预测的百分之一精度，核子轴向形式因子与$N\to\Delta$跃迁形式因子需要达到何种精度？
• RQ4 为何GFMC结果在低$\cos\theta_{\mu}$处与MiniBooNE数据不一致？这是否源于非相对论近似？
• RQ5 相对论效应与末态相互作用如何影响GFMC与谱函数预测之间的一致性？

主要发现

• 基于格点QCD的轴向形式因子使GFMC与谱函数方法的截面值比经验性单极拟合提高10–20%，且在低$\cos\theta_{\mu}$区域效应最大。
• 尽管在运动学与动力学上存在差异，GFMC与谱函数方法在形式因子依赖性上的不确定性量化结果保持一致。
• GFMC与MiniBooNE数据在低$\cos\theta_{\mu}$处的不一致可能源于GFMC的非相对论性质以及MiniBooNE束流的高能尾部。
• 当采用任一形式因子参数化时，GFMC与SF方法在所有动量空间区域均与T2K数据具有良好一致性。
• 两体电流的引入使两种模型均能以$M_A \sim 1$ GeV的参数值重现实验数据，解决了早期与MiniBooNE数据之间的张力。
• 未来工作需在GFMC中引入相对论修正，并在谱函数方法中建模一、两体电流的干涉效应。