Studies of charged pions produced during neutrino-nucleus Final State Interactions using the NOvA experiment simulation and reconstruction tools

Abstract

NOvA, located at Fermilab, is a long-baseline neutrino oscillation experiment. It investigates muon-to-electron neutrino flavor oscillations over an 810 km baseline between the Near and Far Detectors, two functionally identical, liquid scintillator tracking calorimeters. The NuMI beam facility at Fermilab provides a 98% pure beam of muon neutrinos for NOvA. The Near Detector, situated 800 m from the neutrino production target, observes intense neutrino interactions, offering insights into neutrino-nucleus interactions. NOvA’s two detectors are intended to measure the parameters in neutrino oscillations, including mass hierarchy, CP violation, and the mixing angle θ23. This thesis presents an in-depth analysis of the performance of reconstruction algorithm for charged pions in the Near Detector, with focus on various interaction modes and kinematic variables. Through detailed event displays and statistical comparisons, key factors affecting reconstruction accuracy are identified. Findings highlight challenges such as energy deposition variability, track overlapping, and particle re-interactions that complicate the reconstruction process. Simulated charged pions are predominantly misclassified as muons, protons, and gammas. The efficiency of the charged pion reconstruction algorithms peaks within specific energy and angular regions. The analysis of single-pion events indicates no significant relationship between particle types in final state interactions and reconstruction failures. Normalized comparisons of angles and energy correlations further elucidate the conditions under which the algorithm operates more effectively. These insights are crucial for refining reconstruction techniques and enhancing the reliability of particle identification in experimental setups (Texto tomado de la fuente).

NOvA, ubicado en Fermilab, es un experimento de oscilación de neutrinos de línea de base larga. Investiga las oscilaciones de sabor de neutrinos de muón a electrón a lo largo de una línea base de 810 km entre el Detector Cercano y el Detector Lejano, dos calorímetros de seguimiento con centelleador líquido, funcionalmente idénticos. La instalación del haz NuMI en Fermilab proporciona un haz de neutrinos de muón con una pureza del 98% para NOvA. El Detector Cercano, situado a 800 m del objetivo de producción de neutrinos, observa interacciones intensas de neutrinos, lo que ofrece información sobre las interacciones neutrino-núcleo. Los dos detectores de NOvA están diseñados para medir los parámetros de las oscilaciones de neutrinos, incluyendo la jerarquía de masas, la violación CP y el ángulo de mezcla θ23. Esta tesis presenta un análisis detallado del desempeño del algoritmo de reconstrucción de piones cargados en el Detector Cercano, con un enfoque en varios modos de interacción y variables cinemáticas. A través de visualizaciones detalladas de eventos y comparaciones estadísticas, se identifican factores clave que afectan la precisión de la reconstrucción. Los resultados destacan desafíos como la variabilidad en la deposición de energía, el solapamiento de trayectorias y las reinteracciones de partículas que complican el proceso de reconstrucción. Los piones cargados simulados son predominantemente mal clasificados como muones, protones y gammas. La eficiencia de los algoritmos de reconstrucción de piones cargados alcanza su punto máximo dentro de regiones específicas de energía y ángulo. El análisis de eventos con un solo pion no indica una relación significativa entre los tipos de partículas en las interacciones del estado final y las fallas de reconstrucción. Comparaciones normalizadas de ángulos y correlaciones de energía ayudan a esclarecer aún más las condiciones bajo las cuales el algoritmo opera con mayor efectividad. Estos hallazgos son fundamentales para refinar las técnicas de reconstrucción y mejorar la fiabilidad en la identificación de partículas en configuraciones experimentales.