Cross-section measurement of neutrino interactions in the TPC gas of the T2K off-axis near detector

Koch, Lukas Uwe Gerhard; Roth, Stefan; Wiebusch, Christopher

doi:HT020004286

Cross-section measurement of neutrino interactions in the TPC gas of the T2K off-axis near detector

Koch, Lukas Uwe Gerhard^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lukas Koch, M.Sc.

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (198 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Roth, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-02482
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/756478/files/756478.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ND280 (frei) ; T2K (frei) ; argon (frei) ; cross section (frei) ; forward folding (frei) ; neutrinos (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die TPCs des T2K Off-Axis-Nahdetektors sind insgesamt mit etwa $10{m^3}$ einer Argon-basierten Gasmischung (95\% [91\%] Argon nach Volumen [Masse]) gefüllt. Da sie seit Beginn des T2K-Experiments dem Neutrinostrahl ausgesetzt sind, ist es möglich mit ihnen Neutrino-Wechselwirkungen mit dem TPC-Gas als aktivem Target zu untersuchen. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Datennahmeperioden Zwei bis Vier vorgestellt. Dies entspricht $5.73 \times 10^{20}$ Protonen auf dem Graphittarget des Beschleunigers,$\sim 15\%$ der aktuell bewilligten Datenmenge mit Myon-Neutrino-Strahl für das T2K-Experiment.Aktuelle Modelle sagen etwa $600$ Wechselwirkungen von Myon-Neutrinos über geladene Ströme im Referenzvolumen der TPCs in diesem Datensatz voraus. Neutrino-Ereignisse in den TPCs werden mithilfe der Rekonstruktionssoftware \TREx selektiert. Dies geschieht in zwei Schritten: Zuerst wird das negative, in den TPCs startende Teilchen mit dem höchsten Impuls selektiert. Dieses definieren den Vertexkandidaten. Anschließend werden zusätzliche Schnitte angewandt, um den Untergrund an Ereignissen von außerhalb des Referenzvolumens zu reduzieren. Die Selektion erreicht eine Reinheit von $\sim 26{\%}$ und eine Effizienz von $\sim 32{\%}$.Mit dieser Selektion wird eine Messung des Wirkungsquerschnitts von Myon-Neutrinos über geladene Ströme im TPC-Gas durchgeführt. Hierzu wird ein Ansatz mit Fokus auf der Detektorantwort-Matrix gewählt. Diese Matrix übersetzt Erwartungswerte im wahren Phasenraum, also Ereignisbeschreibungen mit ihren wahren Eigenschaften, zu Erwartungswerten im rekonstruierten Phasenraum, also Beschreibungen mit rekonstruierten Eigenschaften. Sie beschreibt also die Detektoreffizienz und -auflösung. Systematische Detektorunsicherheiten werden ebenfalls von der Matrix abgedeckt. Entsprechend der Unsicherheiten werden mehrere Antwortmatrizen generiert. Jede Matrix entspricht einem möglichen wahren Detektor und produziert eigene Erwartungswerte für die Rekonstruktion. Die Erwartungswerte der verschiedenen Matrizen können einzeln mit den Daten verglichen und anschließend in eine marginale Likelihood kombiniert werden. Wenn die Antwortmatrix so konstruiert wird, dass sie nicht vom verwendeten Interaktionsmodell abhängt, können mit ihr beliebige Interaktionsmodelle mit den Daten verglichen werden. Da die Matrizen die Detektorunsicherheiten beinhalten, müssen diese Unsicherheiten nicht für jedes Modell neu evaluiert werden. Werden die gemessenen Daten und die Detektorantwort-Matrix zusammen veröffentlicht, können auch Modellentwickler, die nicht im Detail mit dem Detektor vertraut sind, ihre Modelle mit den Daten vergleichen. Hierfür müssen sie nur die Erwartungswerte im wahren Phasenraum entsprechend variieren und mit der Matrix multiplizieren. Verglichen mit dem \enquote{klassischen} Ansatz, bei dem neue Modelle normalerweise in dedizierten Analysen innerhalb der Experimente getestet werden, ermöglicht dies einen deutlich schnelleren Entwicklungszyklus. Mit diesem Ansatz wurden Anpassungen nomineller Templates der Ereignisgeneratoren Neut und Genie unternommen. Diese liefern Wirkungsquerschnitte pro Nukleon und Neutrinoenergie von $(0.42 \pm 0.15) \times 10^{-38}{cm^2/GeV}$ und $(1.02 \pm 0.24) \times 10^{-38}{cm^2/GeV}$.

The TPCs of the T2K off-axis near detector contain in total about $10{m^3}$ of an argon-based gas mixture (95\% [91\%] argon by volume [mass]) at atmospheric pressure. They have been exposed to the T2K neutrino beam for the full duration of T2K operation. It is thus possible to investigate neutrino interactions that happen inside the gas volume of the TPCs, using it as active target. This work presents the results obtained from T2K runs two through four. The data corresponds to $5.73 \times 10^{20}$ protons on target,$\sim 15\%$ of the total muon-neutrino beam exposure expected by the end of the currently approved T2K programme. Current neutrino cross-section models predict about $600$ charged-current muon-neutrino interaction events in the TPCs' fiducial volume in this data set. Neutrino events in the TPCs are selected using the new TPC reconstruction software \TREx. The selection works in two stages: First, the highest momentum, negatively charged particle that starts inside one of the TPCs is selected. This defines the vertex candidate. Then, additional cuts are applied to that candidate to reduce the out-of-fiducial-volume background. The selection reaches a purity of $\sim 26{\%}$ and an efficiency of $\sim 32{\%}$.This selection is then used to perform a measurement of the charged-current muon-neutrino cross-section in the TPC gas. The response-matrix centred approach is used. This method is based on the detector response matrix, which translates expectation values for event counts in truth space, i.e. describing the true properties of the events, into expectation values in reco space, i.e. describing the events in reconstructed variables. In it contained are the information about detector efficiency and detector smearing. Systematic detector uncertainties are also handled with the response matrix. A set of response matrices is generated according to the uncertainties in detector properties. Each matrix corresponds to one possible true detector performance and yields its own reco-space prediction for a given truth-space prediction. The different predictions can then be compared to the recorded data, and combined into a marginal likelihood. If the construction of the response matrix is done with care (ensuring its physics model independence),it can be used for tests of arbitrary theories against the data very easily. Since the set of response matrices contains the knowledge about the systematic detector uncertainties, the systematics do not have to be re-evaluated for each model that is tested. If the data and response matrix are published together, the model tests can also be done by theorists and model builders that are not intimately familiar with the detector that recorded the data. All they have to do is vary the truth space expectation values according to their models and multiply them with the matrix. Compared with the \enquote{classic} approach, where new models usually require a new dedicated analysis within the experiments, this makes tests of new model ideas much easier. A simple template fit with the nominal Neut and Genie models was done using this method. It yields a cross section per nucleon and scaled with average neutrino energy of $(0.42 \pm 0.15) \times 10^{-38}{cm^2/GeV}$ and $(1.02 \pm 0.24) \times 10^{-38}{cm^2/GeV}$ respectively.

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