Validation of the NOνA experiment 2023-tuning on simulated neutrino-matter interactions

Abstract

NOνA es un experimento de oscilación de neutrinos de base larga que emplea un diseño de dos detectores para estudiar las oscilaciones de neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos a lo largo de una distancia de 810 km. El Detector Cercano (ND, por sus siglas en inglés) mide el espectro y la composición del haz de neutrinos antes de que ocurran las oscilaciones, lo cual se compara posteriormente con el espectro energético de neutrinos oscilados observado en el Detector Lejano (FD). En el ND, los neutrinos se detectan mediante sus interacciones con los núcleos pesados presentes en el material del detector.

NOνA utiliza el generador de eventos de neutrinos GENIE para simular estas interacciones neutrino-núcleo. Sin embargo, la predicción por defecto de GENIE no reproduce adecuadamente los datos observados en el ND. Para subsanar esta discrepancia, NOνA desarrolló un ajuste específico de los modelos de interacción de neutrinos dentro de la versión 3.0.6 de GENIE, con el fin de minimizar las diferencias entre las predicciones simuladas y los datos experimentales recolectados en el ND.

Esta disertación evalúa el ajuste realizado por NOνA en 2023 a las simulaciones de secciones eficaces de interacción neutrino-materia de GENIE, mediante una comparación entre datos y simulaciones en el ND. El análisis empleó conjuntos de datos que comprenden $2.55\times10^{21}$ protones en blanco (POT) en modo haz de neutrinos y $1.14\times10^{21}$ POT en modo haz de antineutrinos.

El ajuste realizado por NOνA a las simulaciones de interacciones neutrino-materia concuerda con los datos del ND dentro de la banda de error de una desviación estándar, aunque sobreestima las interacciones cargadas de neutrinos muónicos y antineutrinos en aproximadamente un 6 % y 9 %, respectivamente. Se observaron discrepancias notables en la región energética dominada por interacciones de tipo cuasi-elástico.

Las incertidumbres sistemáticas asociadas a la modelización de la sección eficaz de interacción de neutrinos, en particular aquellas relacionadas con interacciones cuasi-elásticas, contribuyeron significativamente al error global en las simulaciones. Además, el algoritmo de reconstrucción empleado por NOνA para la clasificación de partículas mostró una tasa considerable de identificaciones erróneas entre piones cargados y protones, así como una tendencia a omitir piones o protones adicionales en eventos simulados con múltiples partículas (Texto tomado de la fuente).

NOνA is a long-baseline neutrino oscillation experiment that utilizes a two-detector design to study the oscillations of muon neutrinos into electron neutrinos over a baseline of 810 km. The Near Detector (ND) measures the neutrino beam spectrum and composition before oscillation, which is then compared to the oscillated neutrino energy spectrum observed in the Far Detector (FD). In the ND, the neutrinos are detected through their interactions with the heavy target nuclei within the detector. NOνA employs the GENIE neutrino event generator for simulating these neutrino-nucleus interactions. However, the default GENIE prediction does not adequately reproduce the ND data. To address this, NOνA developed a tune of the neutrino interaction models within GENIE version 3:0:6 to minimize discrepancies between the simulated predictions and the observed data in the ND.

This dissertation tests the NOνA’s 2023 tune of the GENIE neutrino cross-section simulations by performing a data/simulations comparison for the ND. The analysis employed datasets comprising $2.55\times10^{21}$ protons-on-target (POT) in neutrino beam mode and $1.14\times10^{21}$ POT in antineutrino beam mode. The NOνA tuning of neutrino-matter interaction simulations matches with ND data within the $1\sigma$ error band, overestimating muon neutrino and antineutrino charged current interactions by approximately 6 % and 9 %, respectively. Discrepancies were observed in the energy region dominated by Quasi-Elastic-like interactions. Systematic uncertainties associated with the modeling of the neutrino cross-section, particularly those pertaining Quasi-Elastic like interactions, contributed considerably to the overall error in the simulations. Furthermore, the reconstruction algorithm used in NOνA for particle classification demonstrated significant misidentifications between charged pions and protons, as well as a tendency to overlook additional pions or protons in multi-particle simulated events.