Lambda baryon production in neutrino-nucleus interactions and light signals reconstruction in the Short-Baseline Near Detector

Abstract

The eld of neutrino physics is nowadays entering the era of precision measurements, with new detectors capable of capturing neutrino interactions with unprecedented detail and high intensity neutrino beams. Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) have become one of the main neutrino detection technologies, providing excellent imaging capabilities and particle identi cation. The Short-Baseline Near Detector (SBND) at Fermilab is a LArTPC experiment designed to capture neutrinos from the Booster Neutrino Beam (BNB). Its proximity to the beam target (110 m) and large size (112 ton) enable the recording of millions of neutrino interactions annually. SBND provides the highest statistics worldwide for neutrino-argon crosssection measurements, facilitating the study of rare channels like Cabibbo-suppressed quasielastic hyperon production. Speci cally, this thesis focuses on neutral baryon production for which only tens of events have been observed up to date. Our work introduces a novel selection strategy leveraging LArTPC imaging capabilities to identify the distinctive decay signatures of baryons, enhancing sensitivity to this channel. Besides being a very mature technology, LArTPCs are an evolving technology. Part of the focus of the new developments lies in harnessing the potential of scintillation light signals. The Photon Detection System (PDS) in SBND has been designed to provide an e cient detection of the scintillation light, representing a major R&D opportunity in the LArTPC community. Its design provides a high and more uniform light yield, an excellent timing resolution and an independent 3D reconstruction of the events, including the drift coordinate, using exclusively the light signals. This work presents the rst comprehensive study of the SBND PDS capabilities. The new developments in the simulation and reconstruction of the light signals in SBND are presented. The whole chain is applied to accurately tag neutrino events through timing information, with a predicted resolution O(2 ns), and ultimately retrieve the pulse structure of the BNB.

El campo de la física de neutrinos está entrando en la era de las mediciones de precisión, con nuevos detectores capaces de captar interacciones de neutrinos con un detalle sin precedentes y haces de neutrinos de alta intensidad. Las Cámaras de Proyección Temporal de Argón Líquido (LArTPCs) se han convertido en una de las principales tecnologías de detección de neutrinos, proporcionando excelentes capacidades de imagen y de identi cación de partículas. El Short-Baseline Near Detector (SBND) en Fermilab es una LArTPC diseñada para detectar neutrinos del Booster Neutrino Beam (BNB). Su proximidad al blanco del haz (110 m) y su gran tamaño (112 toneladas) permitirán la detección de millones de interacciones de neutrinos en argón anualmente, proporcionado la mayor muestra a nivel mundial. Esto permite el estudio de canales raros como la producción cuasielástica de hiperones (afectada por la supresión de Cabibbo). Esta tesis se centra en la producción del barión neutro, para el que solo se han observado decenas de sucesos hasta la fecha. Nuestro trabajo introduce una nueva estrategia de selección que aprovecha las capacidades de imagen de LArTPC para identi car la distintiva topología correspondiente a la desintegración de los bariones Δ. A pesar de ser una tecnología madura, las LArTPCs est an en constante evolución. Los nuevos desarrollos se centran en potenciar el uso de las señales de luz de centelleo. El Sistema de Detección de Luz (PDS) en SBND ha sido diseñado para proporcionar una detección e ciente de la luz de centelleo, representando una importante oportunidad de I+D en la comunidad LArTPC. Su diseño proporciona una detección más uniforme, mayor cantidad de luz, una excelente resolución temporal y una reconstrucción 3D independiente de los sucesos, incluida la coordenada de deriva, utilizando exclusivamente las señales de luz. Este trabajo presenta el primer estudio completo de las capacidades del PDS en SBND. Se presentan los nuevos desarrollos en la simulación y reconstrucción de las señales de luz. Toda la cadena de reconstrucción se aplica para identifi car con precisión los sucesos de neutrinos a través de la información temporal, con una resolución esperada de O(2 ns), y, en ultima instancia, recuperar la estructura de pulsos del BNB.