The investigation of neutrino oscillations is an ongoing world-leading research that aims to understand fundamental neutrino properties. In particular, the observation that neutrinos can oscillate from one flavor to another suggests that these elementary particles have a very small but non-zero mass. However, high precision is required to reconstruct the neutrino energy with Monte Carlo ...
Abstract (English)
The investigation of neutrino oscillations is an ongoing world-leading research that aims to understand fundamental neutrino properties. In particular, the observation that neutrinos can oscillate from one flavor to another suggests that these elementary particles have a very small but non-zero mass. However, high precision is required to reconstruct the neutrino energy with Monte Carlo generators and extract parameters such as the CP violating phase δ. The experiments are most frequently built such that the neutrino beams scatter against heavy nuclei targets and these cross sections are non-trivial to parametrize, depending on the energy scale at which the experiment is carried out. Some of the parameters that enter in these cross sections and that represent systematic uncertainties are the so-called nucleon form factors. These functions can be extracted non-perturbatively with lattice simulations by simulating the theory that describes the strong interactions, also known as Quantum ChromoDynamics (QCD). One of the major challenges faced in the lattice QCD determination of the nucleon matrix elements is excited state contamination, particularly nucleon-pion contamination. State-of-the-art analyses take into account this contamination with multistate fits based on Chiral Perturbation Theory, which is an effective field theory where the degrees of freedom are pion and nucleon fields. In this project, we confront the problem directly. Since the primary source of contamination is understood to be related to nucleon-pion states production, we compute this contribution with lattice QCD simulations and consider it for the ground state. The outcome on a single ensemble is promising and confirms the ChPT-inspired approaches. Furthermore, the nucleon-pion term that is computed and taken into account is proportional to the matrix element 〈Nπ| J |N〉, which is phenomenologically interesting by itself as it enters the CC1π and NC1π experimental processes, which occur in the neutrino oscillation experiments and are considered in the event reconstruction. This pilot study represents the first initiative for determining nucleon matrix elements with the variational method with a basis made of nucleon and nucleon-pion operators. We plan to continue this work by including more statistics, extending it to more ensembles, and computing for the first time 〈Nπ| J |N 〉.
Translation of the abstract (German)
Die Untersuchung von Neutrino-Oszillationen ist eine fortlaufende, weltweit führende Forschung, die darauf abzielt, grundlegende Neutrino-Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere die Beobachtung, dass Neutrinos von einem Flavor zum anderen oszillieren können, deutet darauf hin, dass diese Elementarteilchen eine sehr kleine, aber von Null verschiedene Masse haben. Es ist jedoch eine hohe Präzision ...
Translation of the abstract (German)
Die Untersuchung von Neutrino-Oszillationen ist eine fortlaufende, weltweit führende Forschung, die darauf abzielt, grundlegende Neutrino-Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere die Beobachtung, dass Neutrinos von einem Flavor zum anderen oszillieren können, deutet darauf hin, dass diese Elementarteilchen eine sehr kleine, aber von Null verschiedene Masse haben. Es ist jedoch eine hohe Präzision erforderlich, um die Neutrinoenergie mit Monte-Carlo-Generatoren zu rekonstruieren und Parameter wie die CP-Verletzungsphase δ zu extrahieren. Die Experimente sind am häufigsten so aufgebaut, dass die Neutrinostrahlen an Zielen schwerer Kerne streuen, und diese Querschnitte sind nicht trivial zu parametrisieren, abhängig von der Energieskala, bei der das Experiment durchgeführt wird. Einige der Parameter, die in diese Wirkungsquerschnitte eingehen und die systematische Unsicherheiten darstellen, sind die sogenannten Nukleonen-Formfaktoren. Diese Funktionen können störungsfrei mit Gittersimulationen extrahiert werden, indem die Theorie simuliert wird, die die starken Wechselwirkungen beschreibt, auch bekannt als Quantum ChromoDynamics (QCD). Eine der größten Herausforderungen bei der Gitter-QCD-Bestimmung der Nukleon-Matrixelemente ist die Kontamination des angeregten Zustands, insbesondere die Nukleon-Pion-Kontamination. Hochmoderne Analysen berücksichtigen diese Kontamination mit Mehrzustandsanpassungen auf der Grundlage der Chiral Perturbation Theory, einer effektiven Feldtheorie, bei der die Freiheitsgrade Pion- und Nukleonenfelder sind. In diesem Projekt stellen wir uns dem Problem direkt. Da man davon ausgeht, dass die primäre Kontaminationsquelle mit der Produktion von Nukleon-Pion-Zuständen zusammenhängt, berechnen wir diesen Beitrag mit Gitter-QCD-Simulationen und berücksichtigen ihn für den Grundzustand. Das Ergebnis an einem einzigen Ensemble ist vielversprechend und bestätigt die ChPT-inspirierten Ansätze. Außerdem ist der berechnete und berücksichtigte Nukleon-Pion-Term proportional zum Matrixelement 〈Nπ| J |N〉, das an sich phänomenologisch interessant ist, da es in die experimentellen Prozesse CC1π und NC1π eingeht, die in den Neutrino-Oszillationsexperimenten auftreten und in der Ereignisrekonstruktion berücksichtigt werden. Diese Pilotstudie stellt die erste Initiative zur Bestimmung von Nukleon-Matrixelementen mit der Variationsmethode auf der Basis von Nukleon- und Nukleon-Pion-Operatoren dar. Wir planen, diese Arbeit fortzusetzen, indem wir mehr Statistiken einbeziehen, sie auf mehr Ensembles erweitern und zum ersten Mal 〈Nπ| J |N 〉.
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