German Title: Ein Argon Szintillationsveto für die Phase II des GERDA Experiments

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Abstract

The search for neutrinoless double-beta decay (0νββ) is one of the most active fields in modern particle physics as the observation of this process would prove lepton number violation and imply new physics beyond the Standard Model of particle physics. The GERDA experiment searches for this decay by operating bare Germanium detectors, enriched in the ββ isotope 76 Ge, in liquid argon. For the first time, a ββ-experiment combines the excellent properties of semiconductor Germanium detectors with an active background suppression technique based on the simultaneous detection of liquid argon scintillation light by photomultiplier tubes and silicon photomultipliers coupled to scintillating fibers (LAr veto). The LAr veto has been successfully operated during the first six months of Phase II of the experiment and yielded – in combination with a Germanium detector pulse shape discrimination technique – a background index of $\unit[(0.7^{+1.1}_{-0.5}) \cdot 10^{-3}]{(\frac{cts}{kg\cdot keV\cdot yr})}$¹. With an ultimate exposure of 100 kg•yr this will allow for a 0νββ-decay half-life sensitivity of the Gerda Phase II experiment of 10^26 yr.Double-beta decay under the emission of two neutrinos (2νββ) is a second-order process but which is allowed by the Standard Model. The excellent background reduc- tion of the LAr veto results in an unprecedented signal-to-background ratio of 30:1 in the energy region dominated by 2νββ-decay of 76 Ge. The remaining background after LAr veto is estimated using the suppression factor from calibration source measurements and results in a measurement of $^{2\nu}_{1/2} = \unit[(1.98 \pm 0.02\textrm{ (stat)} \pm 0.05\textrm{ (syst)})\cdot 10^{21}]{yr}$ and T$_{1/2}^{2\nu} =\unit[(1.92 \pm 0.02\textrm{ (stat)} \pm 0.11\textrm{ (syst)})\cdot 10^{21}]{yr}$¹ based on two different detector designs and given uncertainties on the detector parameters but both with improved systematic uncertainties in comparison to earlier measurements.

¹) Please see rendered formula in original abstract as is prepended by the author to the attached full-text document.

Translation of abstract (German)

Die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall (0νββ) stellt eines der aktivsten Forschungsfelder der modernen Teilchenphysik dar. Die Entdeckung dieses Leptonenzahl verletzenden Zerfalls würde eine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik erfordern. Das GERDA-Experiment sucht nach diesem Zerfall, indem es Germaniumdetektoren direkt in Argon betreibt. In Phase II des Experiments werden erstmals die exzellenten Eigenschaften von Halbleiterdetektoren mit einem aktiven Veto kombiniert, welches auf der simultanen Detektion von Argon Szintillationslicht – mithilfe von PMTs und an Szintillationsfasern gekoppelten SiPMs – basiert. Dieses Veto wurde während der ersten sechs Monate der zweiten Experimentphase erfolgreich betrieben und ergab in Kombination mit einer Pulsformanalyse der Germaniumdetektorsignale einen Untergrundindex von $\unit[(0.7^{+1.1}_{-0.5}) \cdot 10^{-3}]{(\frac{cts}{kg\cdot keV\cdot yr})}$¹, welcher mit einer Exposition von 100 kg•yr eine Sensitivität auf die 0νββ-Halbwertszeit von 10^26yr ermöglicht.Der neutrinobehaftete Doppelbetazerfall (2νββ) ist ein Prozess zweiter Ordnung, welcher vom Standardmodell erlaubt ist. Die exzellente Untergrundunterdrückung des Szintillationsvetos führt in dem Energiebereich, der von dem 2νββ-Zerfall dominiert wird, zu einem bislang unerreichten Verhältnis von Signal zu Untergrundereignissen von 30:1. Der nach der Anwendung des Szintillationsvetos verbleibende Untergrund wird mithilfe der gemessenen Untergrundunterdrückung von Kalibrationsmessungen abgeschätzt. Ausgehend davon wird für zwei unterschiedliche Detektordesigns mit vorgegebenen Unsicherheiten der Detektorparameter eine Halbwertszeit von $^{2\nu}_{1/2} = \unit[(1.98 \pm 0.02\textrm{ (stat)} \pm 0.05\textrm{ (syst)})\cdot 10^{21}]{yr}$ und T$_{1/2}^{2\nu} =\unit[(1.92 \pm 0.02\textrm{ (stat)} \pm 0.11\textrm{ (syst)})\cdot 10^{21}]{yr}$¹ bestimmt. Dies stellt im Vergleich zu vorausgegangenen Messungen eine Verbesserung der systematischen Unsicherheiten dar.

¹) Die Formel finden Sie in korrekter Darstellung im Original-Abstract, das vom Autor dem Volltextdokument vorangestellt wurde.