Hyperon production in Cabibbo suppressed reactions induced by antineutrinos in nucleons and nuclei

Abstract

En esta tesis, investigamos la producción de hiperones Λ y Σ suprimida Cabibbo inducidas por antineutrinos muónicos a través de corrientes débiles cargadas con cambio de extrañeza. En nuestro modelo consideramos el mecanismo cuasielástico (QE) y un mecanismo inelástico en el cual el hiperón se produce junto a un pion (Y π). Ambos mecanismos han sido estudiados anteriormente pero en el caso de la producción Y π solo a partir de nucleones libres. Por lo que estudiamos la producción Y π tanto a partir de nucleones libres como en núcleos, enfocándonos en la región de energía de antineutrinos E¯ν < 2 GeV, relevante para numerosos experimentos de dispersión y oscilación de neutrinos. Incluiremos en nuestro estudio las interacciones de estado final (FSI) de los hiperones en su salida del núcleo. Los estudios teóricos de las secciones eficaces de las interacciones antineutrinonúcleo son esenciales para analizar datos de experimentos de dispersión y oscilación de neutrinos. Un componente clave de estas secciones eficaces es el modelo primario de interacción antineutrino-nucleón. Por lo tanto, comenzamos esta tesis estudiando reacciones de producción Y π a partir de nucleones libres. Nuestro modelo se basa en los Lagrangianos quirales SU(3) efectivos de orden más bajo en presencia de una corriente débil cargada externa y contiene los términos de background o Born y el mecanismo de excitación de resonancias bariónicas del decuplete que pueden contribuir a estos canales de reacción. Hemos considerado relevantes las resonancias Δ(1232) y Σ∗(1385). Continuamos con el estudio de la producción de hiperones en núcleos. La producción de hiperones en este rango de energía procede principalmente a través de la dispersión QE, por lo que hemos considerado este tipo de reacción, además de la producción Y π. Los efectos nucleares los incluimos estudiando el movimiento de Fermi de los nucleones del blanco nuclear mediante el modelo de gas de Fermi con la aproximación de densidad local. Comparamos dos versiones de la interacción de estado final experimentada por los hiperones en el núcleo. Una utiliza un enfoque más simple, mientras que la otra tiene en cuenta el potencial de la Lambda debido a la limitada información experimental disponible sobre el potencial de la Sigma. La FSI la consideramos mediante una cascada intranuclear Monte Carlo. También estimamos la absorción de piones, producidos en el mecanismo Y π, por el núcleo utilizando una aproximación eikonal. A partir de nucleones libres, encontramos que la resonancia Σ∗(1385) predomina notablemente en las reacciones Λπ pero tiene menos importancia en los canales Σπ. Además, observamos la importancia de los diagramas cruzados de Δ o polos de nucleón cruzado, especialmente en algunas de las reacciones Σπ. También estudiamos las secciones eficaces totales convolucionadas con los flujos de antineutrinos de experimentos pasados (MiniBooNE, SciBooNE) y actuales (detectores cercanos y lejanos de T2K, Minerva) de oscilación y dispersión de neutrinos. Igualmente comparamos y discutimos nuestros resultados con otros que siguen enfoques similares y muy diferentes de la literatura reciente y pasada. Mostramos los resultados para la producción de hiperones a partir de núcleos. La producción Y π tiene un umbral de producción más alto en comparación con los mecanismos QE. Sin embargo, observamos que sus secciones eficaces muestran un crecimiento más rápido con la energía del antineutrino en comparación con la dispersión QE. Comprobamos que los canales Y π desempeñan un papel significativo en la caracterización de la producción de hiperones dentro de los núcleos. Específicamente, contribuyen de manera significativa a la producción de Σ+ y generan una parte sustancial de la sección eficaz total en otros canales: confirmamos que debido al porcentaje de absorción de piones por el núcleo, mayor a bajas energías del antineutrino, los mecanismos podrían confundirse experimentalmente entre sí. No tener en cuenta estos mecanismos introduciría sesgos en el análisis experimental y la interpretación de los resultados. En este contexto, determinamos que las distribuciones de ángulos relativos leptón-hiperón sirven como observables útiles para distinguir entre procesos QE y Y π. Por lo que, consideramos necesaria la inclusión de la producción Y π en los generadores Monte Carlo de eventos de neutrinos, como GENIE o NuWro. Finalmente, estudiamos la producción de Λ en argón en las condiciones de la reciente medida de MicroBooNE. Convolucionamos nuestras secciones eficaces con el flujo de antineutrinos e imponemos la restricción en el espacio fásico adecuada. Obtenemos resultados consistentes con el valor experimental de baja estadística y observamos que el mecanismo Λπ representa un tercio de la sección eficaz total. Asimismo, obtenemos resultados para la producción de hiperones convolucionando las secciones eficaces con el flujo de antineutrinos del experimento SBND. Nos llevan a confirmar la importancia del mecanismo Y π debido a la posibilidad de confundir ambos mecanismos al producirse absorción de piones por el núcleo. Y en el caso de producción de Σ+, el mecanismo Σ+π sería el predominante al no producirse de manera primaria a través de la producción QE.

In this thesis, we study the Cabibbo suppressed hyperon (Λ and Σ) production induced by muonic antineutrinos in strangeness changing weak charged currents interactions. Our model considers the quasielastic mechanism (QE) and an inelastic mechanism in which the hyperon is produced alongside a pion (Y π). Both mechanisms have been previously studied, but Y π production has only been examined from free nucleons. Therefore, we explore Y π production both from free nucleons and within nuclei, focusing on the antineutrino energy region E¯ν < 2 GeV, which is relevant for numerous neutrino scattering and oscillation experiments. We also include in our study the final state interactions (FSI) of hyperons as they exit the nucleus. Theoretical studies of the cross sections for antineutrino-nucleus interactions are crucial for analyzing data from neutrino scattering and oscillation experiments. A crucial component of these cross sections is the primary antineutrino-nucleon interaction model. Therefore, we initiate this thesis by investigating Y π production reactions from free nucleons. Our model is based on the lowest order effective SU(3) chiral Lagrangians in the presence of an external weak charged current. It contains Born background terms and the lowest-lying decuplet resonant mechanism that can contribute to these reaction channels. We include the resonances Δ(1232) and Σ∗(1385). We continue with the study of hyperon production in nuclei. The hyperon production in this energy range primarily proceeds through quasielastic scattering (QE). Therefore, we have considered this type of reaction in addition to the Y π production. Nuclear effects are accounted for by studying the Fermi motion of target nucleons using the Fermi gas model with the local density approximation. We compare two versions of the final state interaction experienced by hyperons in the nucleus. One employs a simpler approach, while the other takes into account the potential of the Lambda due to limited experimental information on the Sigma potential. Final state interactions are considered through an intranuclear Monte Carlo cascade. Additionally, we estimate the absorption of pions produced in the Y π mechanism by the nucleus using an eikonal approximation. From the results for the Y π mechanism from free nucleons, we find that the Σ∗(1385) resonance notably predominates in Λπ reactions but is less important in Σπ channels. Additionally, we observe the significance of crossed Δ or nucleonpole diagrams, especially in some of the Σπ reactions. We also calculate the total cross sections convoluted with the antineutrino fluxes from past experiments (MiniBooNE, SciBooNE) and current ones (T2K at near and far detectors, Minerva) for neutrino oscillation and scattering. Furthermore, we compare and discuss our results with others that employ similar and different approaches from both recent and past literature. We study hyperon production from nuclei, where the predominant process at the antineutrino energies we are working with is quasielastic production. The Y π production has a higher production threshold compared to QE mechanisms. However, we observe that its cross sections exhibit a faster growth with antineutrino energy compared to QE scattering. We verify that Y π channels play a significant role in characterizing hyperon production within nuclei. Specifically, they contribute significantly to the production of Σ+ and generate a substantial portion of the total cross section in other channels: we confirm that, due to the higher percentage of pion absorption by the nucleus at low antineutrino energies, these mechanisms could be experimentally confused with each other. Neglecting these mechanisms would introduce biases in the experimental analysis and result interpretation. In this context, we determine that relative lepton-hyperon angle distributions serve as useful observables to distinguish between QE and Y π processes. Therefore, we consider necessary to include Y π production in Monte Carlo neutrino event generators such as GENIE or NuWro. Finally, we investigate the production of Λ in argon under the conditions of the recent MicroBooNE measurement. We convolute our cross sections with the antineutrino flux and impose the appropriate phase space restriction. We obtain results consistent with the low-statistics experimental value and observe that the Λπ mechanism accounts for one-third of the total cross section. Additionally, we obtain results for hyperon production by convoluting the cross sections with the antineutrino flux from the SBND experiment. These results confirm the importance of the Y π mechanism due to the potential confusion between both mechanisms caused by pion absorption by the nucleus. In the case of Σ+ production, the Σ+π mechanism would be predominant, as it does not occur primarily through QE production.