CC0pi results from T2K Andy Furmanski NuFact 15 Rio - - PowerPoint PPT Presentation

CC0pi ¡results ¡from ¡T2K ¡

Andy ¡Furmanski ¡ NuFact ¡15 ¡– ¡Rio ¡de ¡Janeiro ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 1 ¡

The ¡T2K ¡experiment ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 2 ¡

• Long-­‑baseline ¡neutrino ¡oscillaFon ¡experiment ¡in ¡Japan ¡
• Runs ¡from ¡J-­‑PARC ¡in ¡Tokai, ¡to ¡Super-­‑Kamiokande ¡
• Primary ¡goal ¡to ¡search ¡for ¡νμ ¡-­‑> ¡νe ¡oscillaFons ¡

T2K ¡flux ¡predicFon ¡

• T2K ¡uses ¡an ¡off-­‑axis ¡νμ ¡beam ¡

– Flux ¡Fghtly ¡peaked ¡at ¡0.6 ¡GeV ¡to ¡match ¡oscillaFon ¡peak ¡

• SimulaFon ¡based ¡on ¡FLUKA/GEANT3 ¡
• Hadron ¡producFon ¡predicFons ¡from ¡measurements ¡at ¡

NA61/SHINE ¡at ¡CERN ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 3 ¡

Flux ¡at ¡280 ¡m ¡

ND280 ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 4 ¡

Beam ¡direcFon ¡

• Fine-­‑grained ¡scin%llator ¡target ¡(FGD1) ¡
• Provides ¡vertex ¡resoluFon ¡
• 1 ¡cm ¡x ¡1 ¡cm ¡bars ¡
• Argon ¡gas ¡TPCs ¡in ¡0.2 ¡T ¡magnet ¡
• Provides ¡tracking, ¡momentum, ¡

charge ¡ID, ¡and ¡PID ¡

• Other ¡features ¡(not ¡used ¡

here): ¡

• Water ¡layers ¡in ¡FGD2 ¡
• Pi-­‑zero ¡detector ¡(P0D) ¡
• Also ¡contains ¡water ¡

layers ¡

• ECal ¡
• Side ¡muon ¡detectors ¡

INGRID ¡

• On-­‑axis ¡near ¡detector ¡
• Layers ¡of ¡iron ¡and ¡

scinFllator ¡

• Designed ¡primarily ¡to ¡

monitor ¡beam ¡direcFon ¡ and ¡rate ¡

• Also ¡being ¡used ¡for ¡cross ¡

secFon ¡measurements ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 5 ¡

Data ¡taking ¡periods ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 6 ¡

Data ¡used ¡for ¡CCQE-­‑like ¡ measurements ¡at ¡ND280 ¡ AnFneutrino ¡ mode ¡data ¡

[events/1e14 POT]

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Event rate Horn250kA Horn205kA Horn-250kA

[mrad]

• 1
• 0.5

0.5 Horizontal beam direction

INGRID MUMON

Day [mrad]

• 1
• 0.5

0.5 1

Vertical beam direction INGRID MUMON

• Jun.2014

• T2K ¡runs ¡2-­‑4 ¡used ¡in ¡

this ¡analysis ¡

• 5.73E20 ¡POT ¡
• Beam ¡direcFon ¡and ¡

rate ¡very ¡stable ¡

InteracFons ¡at ¡T2K ¡

• CCQE ¡is ¡by ¡far ¡the ¡dominant ¡interacFon ¡

at ¡T2K ¡energies ¡

– 80% ¡of ¡CC ¡events ¡at ¡off-­‑axis ¡flux ¡peak ¡

• CCQE ¡assumpFon ¡used ¡to ¡esFmate ¡

neutrino ¡energy ¡for ¡oscillaFon ¡analysis ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 7 ¡

/ GeV

ν

E

0.5 1 1.5 2 2.5 3

)

• 1

GeV

2

cm

• 38

(10

ν

/ E σ

0.2 0.4 0.6 0.8 1

T2K flux CC Total CCQE MEC CC RES CC Multi-pi CC DIS

/ GeV

ν

E

0.5 1 1.5 2 2.5 3

)

• 1

GeV

2

cm

• 38

(10

ν

/ E σ

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

T2K flux CC Total CCQE MEC CC RES CC Multi-pi CC DIS

n ¡ p ¡ W ¡ νμ ¡ μ ¡ neutrino ¡ anF ¡neutrino ¡

On-­‑axis ¡CCQE ¡

• INGRID ¡used ¡to ¡measure ¡

CCQE ¡cross ¡secFon ¡with ¡

• n-­‑axis ¡flux ¡(peak ¡1.5 ¡

GeV) ¡

• 2 ¡bin ¡measurement ¡in ¡

neutrino ¡energy ¡

• KinemaFc ¡cuts ¡used ¡to ¡

enhance ¡CCQE ¡purity ¡

• Sample ¡split ¡into ¡1-­‑ ¡and ¡

2-­‑track ¡samples ¡

• Large ¡amount ¡of ¡model ¡

dependence ¡seen, ¡and ¡ tension ¡between ¡1-­‑ ¡and ¡ 2-­‑track ¡samples ¡

• Perhaps ¡kinemaFc ¡cuts ¡

not ¡well-­‑understood? ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 8 ¡

(GeV)

• E

1

• 10

1 10

/neutron)

2

(cm

CCQE

• 2

4 6 8 10 12 14 16

39

• 10
• SciBooNE

MiniBooNE NOMAD A

• MINER

One track data Two track data Combined data NEUT GENIE NEUT flux average GENIE flux average

(M =1.21 GeV/c )

A QE 2

(M =0.99 GeV/c )

A QE 2

Off-­‑axis ¡CCQE-­‑like ¡strategy ¡

• Understanding ¡CCQE-­‑like ¡interacFons ¡is ¡criFcal ¡for ¡T2K ¡
• Measurement ¡needs ¡to ¡be ¡model-­‑independent ¡

– Flux ¡integrated ¡cross ¡secFon ¡measured ¡ – As ¡a ¡funcFon ¡of ¡measured ¡variables ¡(muon ¡kinemaFcs) ¡

• No ¡dependence ¡on ¡model ¡to ¡translate ¡to ¡Eν ¡or ¡Q2 ¡

– Topology-­‑defined ¡signal ¡(CC0pi) ¡

• No ¡dependence ¡on ¡FSI ¡model ¡
• Two ¡separate ¡analyses, ¡different ¡approaches, ¡serve ¡as ¡

checks ¡of ¡each ¡other’s ¡model-­‑dependence ¡

• For ¡the ¡measurement ¡presented ¡here, ¡FGD1 ¡is ¡used ¡as ¡

the ¡target ¡(CH) ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 9 ¡

SelecFons ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 10 ¡

• Data ¡quality ¡ ¡
• Every ¡ND280 ¡subdetector ¡must ¡be ¡

funcFoning ¡correctly ¡

• Beam ¡spill ¡must ¡be ¡reported ¡as ¡

good ¡

SelecFons ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 11 ¡

• Data ¡quality ¡
• Highest ¡momentum ¡negaFve ¡track ¡

selecFon ¡ ¡

• Starts ¡in ¡FGD ¡fiducial ¡volume ¡
• Muon ¡candidate ¡defined ¡as ¡

highest ¡momentum ¡negaFve ¡ track ¡

• Must ¡have ¡at ¡least ¡18 ¡TPC ¡hits ¡for ¡

reliable ¡momentum ¡and ¡PID ¡ measurements ¡

SelecFons ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 12 ¡

• Data ¡quality ¡
• Highest ¡momentum ¡negaFve ¡track ¡

selecFon ¡ ¡

• Starts ¡in ¡FGD ¡Fiducial ¡volume ¡
• Broken ¡track ¡cut ¡
• Events ¡where ¡track ¡starts ¡in ¡final ¡2 ¡layers ¡
• f ¡FGD1 ¡cannot ¡have ¡another ¡track ¡

ending ¡in ¡the ¡FDG ¡FV ¡

Muon ¡candidate ¡ Entering ¡track ¡

FGD ¡1 ¡ TPC ¡2 ¡ TPC ¡1 ¡

SelecFons ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 13 ¡

• Data ¡quality ¡
• Highest ¡momentum ¡negaFve ¡track ¡

selecFon ¡ ¡

• Starts ¡in ¡FGD ¡Fiducial ¡volume ¡
• Broken ¡track ¡cut ¡
• Muon ¡PID ¡
• dE ¡/ ¡dx ¡measurements ¡in ¡TPC ¡disFnguish ¡

between ¡muons ¡and ¡electrons ¡with ¡high ¡ efficiency ¡

SelecFons ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 14 ¡

• Data ¡quality ¡
• Highest ¡momentum ¡negaFve ¡track ¡

selecFon ¡ ¡

• Starts ¡in ¡FGD ¡Fiducial ¡volume ¡
• Broken ¡track ¡cut ¡
• Muon ¡PID ¡

Analysis ¡I ¡ Analysis ¡II ¡

• Proton ¡topologies ¡
• Muon-­‑only ¡
• Muon ¡+ ¡TPC ¡proton ¡
• Muon ¡+ ¡FGD ¡proton ¡
• TPC ¡proton ¡+ ¡FGD ¡muon ¡
• No ¡dependence ¡on ¡pion ¡rejecFon ¡
• AddiFonal ¡high-­‑angle ¡tracks ¡
• High ¡purity ¡
• Pion ¡rejecFon: ¡
• Pion-­‑like ¡TPC ¡tracks ¡
• Pion-­‑like ¡FGD-­‑only ¡tracks ¡
• Michel ¡electron ¡(delayed) ¡
• Electron-­‑like ¡TPC ¡tracks ¡(due ¡to ¡

π0 ¡decay) ¡

• Fully ¡proton-­‑inclusive ¡
• Higher ¡efficiency ¡

Backgrounds ¡

• Dominant ¡backgrounds ¡are: ¡

– CC1pi ¡with ¡missed ¡pion ¡(low ¡momentum ¡or ¡ high ¡angle) ¡ – CC ¡π0 ¡where ¡photons ¡do ¡not ¡convert ¡ – External ¡interacFons ¡in ¡magnet ¡(high ¡angle) ¡

• Analysis ¡I ¡uses ¡2 ¡background-­‑specific ¡selecFons ¡

as ¡constraints ¡(CC1pi, ¡CCDIS) ¡

• Analysis ¡II ¡uses ¡external ¡data ¡constraints ¡on ¡

background ¡models ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 15 ¡

momentum / MeV

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 2000 4000 6000 8000 10000

Integral 6.258e+04

π CC-0 π CC-1 CC-Other BKG External No truth

muon momentum [GeV]

1 2 3 4 5 6 7 8 9

POT) / 100 MeV

19

events (57.34 x 10

10 20 30 40 50 60

muon momentum [GeV]

2 4 6 8 10

POT) / 100 MeV

19

events (57.34 x 10

10 20 30 40 50 60 70 80

Analysis ¡I ¡ CC1pi ¡control ¡ region ¡ Analysis ¡I ¡ CCDIS ¡control ¡ region ¡ Analysis ¡II ¡ CC0pi ¡ ¡ (signal) ¡

Cross ¡secFon ¡extracFon ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 16 ¡

Analysis ¡I ¡ Analysis ¡II ¡

• Likelihood ¡fit ¡
• Simultaneously ¡fit ¡background ¡

model ¡parameters ¡and ¡bin-­‑by-­‑bin ¡ signal ¡cross ¡secFons ¡

• Minimise ¡Χ2 ¡
• Bayesian ¡unfolding ¡
• Extract ¡smearing ¡matrix ¡from ¡MC ¡
• Use ¡prior ¡predicFon ¡to ¡calculate ¡

unsmearing ¡matrix ¡

• Apply ¡to ¡data ¡to ¡reveal ¡posterior ¡

predicFon ¡

Background ¡predicFon ¡

UncertainFes ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 17 ¡

Flux ¡

• ~10% ¡normalisaFon ¡uncertainty ¡
• Shape ¡uncertainty ¡small, ¡and ¡has ¡

negligible ¡effect ¡on ¡measurement ¡

• Constrained ¡by ¡measurements ¡at ¡

NA61/SHINE ¡

• In-­‑situ ¡T2K ¡beam ¡measurements ¡too ¡

Cross ¡sec%on ¡+ ¡FSI ¡

• NEUT ¡used ¡as ¡default ¡model ¡
• Model ¡parameter ¡uncertainFes ¡

esFmated ¡from ¡comparisons ¡to ¡ external ¡data ¡

• Some ¡empirical ¡parameters, ¡

normalisaFons ¡ Detector ¡

• Vary ¡underlying ¡parameters, ¡such ¡as ¡

magneFc ¡field ¡strength ¡

• Most ¡have ¡a ¡small ¡effect ¡(<1%) ¡
• Near ¡phase ¡space ¡edges ¡effects ¡

become ¡larger ¡

• Analysis ¡II ¡suffers ¡from ¡large ¡pion ¡re-­‑

interacFon ¡uncertainFes ¡ Results ¡

• Dominant ¡uncertainty ¡is ¡flux ¡

normalisa%on ¡~10% ¡

• Shape ¡errors ¡enter ¡primarily ¡from ¡

staFsFcs ¡and ¡background ¡ uncertainFes ¡

• Vary ¡between ¡analyses ¡and ¡bins, ¡

around ¡1-­‑5% ¡

Results ¡– ¡integrated ¡xsec ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 18 ¡

neutrino energy / GeV

1 2 3 4 5

2

cm

• 38

/ 10 σ

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 T2K data NEUT (nominal) flux avg NEUT (nominal) prediction GENIE flux avg GENIE prediction T2K flux (arb units)

Two ¡analyses ¡agree ¡ to ¡within ¡staFsFcal ¡ uncertainty ¡ ¡ Result ¡is ¡in ¡ agreement ¡with ¡ both ¡NEUT ¡and ¡ GENIE ¡predicFons ¡ ¡ NEUT ¡– ¡v5.1.4.2 ¡ GENIE ¡– ¡v2.8.6 ¡ ¡

Both ¡predicFons ¡based ¡

• n ¡RFG ¡model ¡NEUT ¡MA ¡

= ¡1.21 ¡GeV, ¡GENIE ¡MA ¡= ¡ 0.99 ¡GeV ¡

Analysis ¡II ¡

DifferenFal ¡results ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 19 ¡

muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

• 1.00 - 0.00

θ muon cos -1.00 - 0.00 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.00 - 0.60 θ muon cos 0.00 - 0.60 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.60 - 0.70 θ muon cos 0.60 - 0.70 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.70 - 0.80 θ muon cos 0.70 - 0.80 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.80 - 0.85 θ muon cos 0.80 - 0.85 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.85 - 0.90 θ muon cos 0.85 - 0.90 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.90 - 0.94 θ muon cos 0.90 - 0.94 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.94 - 0.98 θ muon cos 0.94 - 0.98 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.98 - 1.00 θ muon cos 0.98 - 1.00 θ muon cos

• ­‑-­‑-­‑ ¡NEUT ¡
• ­‑-­‑-­‑ ¡GENIE ¡

¡ ¡ ¡ ¡Norm ¡error ¡ + ¡Shape ¡error ¡

This ¡“dip” ¡is ¡ seen ¡in ¡both ¡ analyses ¡and ¡ not ¡predicted ¡ by ¡models ¡

Analysis ¡I ¡

Analysis ¡comparison ¡

muon momentum [GeV]

• 1

10 1 10

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22

0.60 - 0.70 θ muon cos

Analysis I Analysis II Andy ¡Furmanski ¡ 20 ¡

muon momentum [GeV]

• 1

10 1 10

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24

0.70 - 0.80 θ muon cos

Analysis I Analysis II

muon momentum [GeV]

• 1

10 1 10

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

0.80 - 0.85 θ muon cos

Analysis I Analysis II

muon momentum [GeV]

• 1

10 1 10

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

0.85 - 0.90 θ muon cos

Analysis I Analysis II

Almost ¡perfect ¡ agreement ¡between ¡ the ¡analyses ¡despite ¡ using ¡different ¡ binnings, ¡ background ¡ treatments, ¡cross ¡ secFon ¡extracFon ¡ methods, ¡etc ¡ ¡ Gives ¡a ¡high ¡degree ¡

• f ¡confidence ¡in ¡the ¡

model-­‑ independence ¡of ¡our ¡ results ¡

New ¡models ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 21 ¡

muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

• 1.00 - 0.00

θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.00 - 0.60 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.60 - 0.70 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.70 - 0.80 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.80 - 0.85 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.85 - 0.90 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.90 - 0.94 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.94 - 0.98 θ muon cos muon momentum [GeV]

) / 100 MeV [fb] π (CC0 σ

0.98 - 1.00 θ muon cos

Analysis ¡I ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Norm ¡error ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Shape ¡error ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡MarFni ¡model ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Nieves ¡model ¡

Compare ¡results ¡ to ¡two ¡“new” ¡ models, ¡including ¡ 2p2h ¡ components ¡ ¡ Models ¡only ¡ considered ¡valid ¡ up ¡to ¡1.2 ¡GeV ¡

Conclusions ¡

• T2K ¡has ¡begun ¡measuring ¡exclusive ¡topology ¡

cross ¡secFons ¡

– CC0pi ¡presented ¡in ¡this ¡talk ¡ – See ¡talk ¡by ¡M. ¡Nirkko ¡for ¡CC1pi ¡

• Some ¡interesFng ¡features ¡are ¡visible ¡

compared ¡to ¡generator/theory ¡predicFons ¡in ¡ the ¡CC0pi ¡measurement ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 22 ¡

The ¡future ¡

• Expanded ¡phase ¡space ¡

– Higher ¡angle ¡tracks ¡ – Backwards ¡tracks ¡

• Proton ¡informaFon ¡

– Separate ¡proton ¡topologies ¡

• AnFneutrinos, ¡water ¡targets, ¡raFos… ¡

Andy ¡Furmanski ¡ 23 ¡