[论文解读] Measurement of the muon-neutrino charged-current quasi-elastic cross-section in the SciBooNE experiment

J. L. Alcaraz-Aunion, J. Walding|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2009

Muon and positron interactions and applications被引用 13

一句话总结

本论文利用费米国家加速器实验室的SciBooNE实验，首次在0.6–1.6 GeV能量范围内实现了μ子中微子带电流弹性散射（CCQE）截面的绝对测量。通过结合SciBar和MRD探测器，并采用基于似然函数的方法以约束背景贡献，测得的截面与使用轴向质量1.21 GeV的NEUT生成器预测一致，系统误差主要来源于中微子通量建模。

ABSTRACT

SciBooNE is a neutrino and anti-neutrino cross-section experiment at Fermilab, USA. The SciBooNE experiment is summarised and two independent CCQE analyses are described. For one of the analyses, an absolute muon-neutrino CCQE cross-section in the neutrino energy region (0.6-1.6) GeV is shown and the technique developed for such a purpose is also explained. The total cross-section measured over this energy range agrees well with expectations, based on the NEUT event generator and using a value of 1.21 GeV for the CCQE axial mass.

研究动机与目标

• 在0.6–1.6 GeV能量范围内，测量核靶上$ν_\mu$-CCQE截面的绝对值，该能量区间对未来的振荡实验至关重要。
• 通过多道迹拓扑结构和μ子置信度（MuCL）切片，减少CCQE事例选择中的背景污染。
• 使用基于似然函数的拟合方法，通过能量依赖参数重新加权NEUT模拟事例，并考虑非弹性散射背景，以提取绝对截面。
• 利用HARP数据和Sanford-Wang参数化方法，评估系统不确定性的来源，特别是中微子通量建模的影响。
• 验证NEUT事件生成器在轴向质量1.21 GeV下的理论预测是否与实验数据一致。

提出的方法

• 分析采用两种独立的CCQE选择方法，主要结果基于SciBar-MRD分析，该方法通过MRD中μ子的衰变电子信号和射程终止特征识别μ子。
• 通过事例选择的活性体积切片、束流窗口时间切片和顶点活动性切片，提升单道迹和双道迹（$\mu$ + p）样本中CCQE事例的纯度。
• 引入μ子置信度（MuCL）变量以抑制非μ子道迹，利用重建的中微子能量和能量沉积量应用CCQE切片以排除非弹性散射事例。
• 通过最小化似然函数，将观测数据与模拟事例进行拟合，其中参数$a_k$用于在10个中微子能量区间内重新加权NEUT模拟的截面，$F_N$和$a_{bck}$分别调整归一化和非弹性散射背景水平。
• 绝对截面计算公式为$\sigma_{\nu_\mu}(E_\nu^k) = F_N \times a_k \times \sigma^{NEUT}_{\nu_\mu}(E_\nu^k)$，其中$\sigma^{NEUT}$为NEUT预测的截面。
• 系统不确定性的评估基于HARP对π介子产生率的测量结果及通量建模，其中主要贡献来自Be靶中$\pi^+$产生率的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高统计量中微子实验中，0.6–1.6 GeV能量范围内$ν_\mu$-CCQE截面的绝对值是多少？
• RQ2 NEUT生成器预测（轴向质量1.21 GeV）与实测截面的符合程度如何？
• RQ3 中微子通量不确定性对截面测量的影响有多大？哪些分量主导了系统误差？
• RQ4 MuCL和CCQE切片技术在抑制双道迹（$\mu$ + p）和（$\mu$ + $\pi$）样本中非弹性散射背景方面效果如何？
• RQ5 使用能量依赖重加权参数（$a_k$）的似然拟合能否准确地从数据中提取出绝对截面？

主要发现

• 测得的0.6–1.6 GeV能量区间内$ν_\mu$-CCQE截面与NEUT生成器使用轴向质量1.21 GeV的预测结果一致。
• 单道迹样本的CCQE纯度为65.2%，效率为52.9%；双道迹（$\mu$ + p）样本的纯度为68.5%，效率为11.1%。
• 用于约束非弹性散射背景的双道迹（$\mu$ + $\pi$）样本，纯度为32.3%，数据与蒙特卡罗比值为1.14。
• 主要的系统不确定性来源于中微子通量建模，特别是HARP测量的Be靶中$\pi^+$产生率的不确定性。
• 在整个能量范围内，截面测量结果与NEUT预测一致，所有样本的数据/蒙特卡罗比值均在1.00的3%以内。
• 重建的μ子寿命为$2.003 \pm 0.047$ $\mu$s，与已知值一致，验证了μ子识别和衰变电子标记的可靠性。