mgr Kajetan Niewczas

Promotor: prof. Jan Sobczyk, prof. dr. Natalie Jachowicz (Ghent University)

Multinucleon knock-out in neutrino-nucleus scattering: Merging theory and Monte Carlo simulations

I recenzent: prof. Juan M. Nieves, Universitat de Valencia

II recenzent: dr hab. Grzegorz Zuzel, prof. UJ, Uniwersytet Jagielloński

Precyzyjne pomiary własności neutrin są jednym z największych wyzwań fizyki cząstek elementarnych. Wiąże się to z przeprowadzaniem licznych i złożonych badań doświadczalnych na całym świecie. Eksperymenty, które wykorzystują akceleratory cząstek stanowią unikatowe środowisko do badań oscylacji neutrin i poszukiwania śladów łamania symetrii CP w sektorze leptonowym Modelu Standardowego. Jednakże, ponieważ eksperymenty te opierają się na detekcji oddziaływań neutrin na związanych nukleonach wewnątrz materii jądrowej, więc modelowanie takiego zjawiska stanowi znaczące źródło niepewności doświadczalnej. Tradycyjnie wykonu- jemy takie obliczenia traktując nukleony jako niezależne, skupiając się na kwazielastycznych oddziaływaniach neutrino-nukleon lub wzbudzaniu rezonansów. Rozszerzanie naszej wiedzy dotyczącej przekrojów czynnych na rozpraszanie neutrin jest niezbędne dla dalszego rozwoju badań eksperymentalnych. Aby temu sprostać, musimy przekroczyć próg pierwszego przybliżenia teoretycznego i korzystać z metodologii uwzględniającej efekty korelacji nukleonowych oraz procesów z wybiciem więcej niż jednego nukleonu. W tej pracy prezentujemy nowatorskie badania będące efektem połączonych doświadczeń grupy teoretycznej z Gandawy oraz wrocławskiego generatora zdarzeń Monte Carlo—NuWro, który stanowi ważne ogniwo analiz eksperymentalnych. Gandawski model oddziaływań neutrin na jądrach atomowych traktuje zarówno początkowe jak i wybite nukleony w przybliżeniu średniopolowym, co prowadzi do spójnego opisu w ramach nierelatywistycznej mechaniki kwantowej. Do tej struktury dodajemy dynamicznie generowane korelacje par nukleonów oraz prądy dwuciałowe z wymianą pośredniczącego pionu, uwzględniając również wzbudzenia rezonansu ∆. Efekty te sumujemy koherentnie, co pozwala na działanie efektów interferencyjnych. Tak skonstruowany model, zweryfikowany poprzez porównania z danymi rozpraszania elektronów, dostarcza przewidywania inkluzywnych, półinkluzywnych i ekskluzywnych przekrojów czyn- nych w procesach z wybiciem jednego albo dwóch nukleonów. NuWro to szeroko stosowany generator zdarzeń neutrinowych metodą Monte Carlo. Jest on rozwijany od 2005 przez wrocławską grupę teoretyczną i przez ten czas dostarczył wiele wiarygodnych przewidywań dla kanałów oddziaływań neutrino-jądro istotnych dla eksperymentów oscylacyjnych. Do symulacji hadronowych stanów końcowych, w NuWro, wykorzystujemy własny model kaskady wewnątrzjądrowej, która symulacje obserwowaną w eksperymentach krotność cząstek wybijanych lub produkowanych w wyniku zdarzeń. Najważniejszym celem naszych badań był rozwój metodologii implementacji modeli teoretycznych w generatorach Monte Carlo tak, aby przewidywania modelu gandawskiego mogły być w przyszłości wykorzystywane w analizach eksperymentalnych. Dlatego skupiliśmy się na dwóch aspektach badań: nieelastycznych oddziaływaniach stanów końcowych, których brakuje w kwantowomechanicznych modelach rozpraszania neutrin na jądrach atomowych oraz na metodologiach numerycznej optymalizacji implementacji. W pierwszym przypadku wprowadziliśmy efekty korelacji bliskiego zasięgu do modelu kaskady NuWro i zbadaliśmy zachowanie modelu z pomocą danych z ekskluzywnego rozpraszania elektronów. W drugim opracowaliśmy schemat, który umożliwia implementację wielowymiarowych przekrojów czynnych w ich pełnej złożoności ekskluzywnej. Uwzględniając te doświadczenia zaproponowaliśmy wstępną implementację modelu z Gandawy, która, razem z NuWro, tworzy pomost pomiędzy teorią, a eksperymentem.