Background free search for neutrinoless double beta decay with GERDA Phase II
M. Agostini, M. Allardt, A. M. Bakalyarov, M. Balata, I. Barabanov, L. Baudis, C. Bauer, E. Bellotti, S. Belogurov, S. T. Belyaev, G. Benato, A. Bettini, L. Bez… 展开作者
M. Agostini, M. Allardt, A. M. Bakalyarov, M. Balata, I. Barabanov, L. Baudis, C. Bauer, E. Bellotti, S. Belogurov, S. T. Belyaev, G. Benato, A. Bettini, L. Bezrukov, T. Bode, D. Borowicz, V. Brudanin, R. Brugnera, A. Caldwell, C. Cattadori, A. Chernogorov, V. D'Andrea, E. V. Demidova, N. DiMarco, A. diVacri, A. Domula, E. Doroshkevich, V. Egorov, R. Falkenstein, O. Fedorova, K. Freund, N. Frodyma, A. Gangapshev, A. Garfagnini, C. Gooch, P. Grabmayr, V. Gurentsov, K. Gusev, J. Hakenmüller, A. Hegai, M. Heisel, S. Hemmer, W. Hofmann, M. Hult, L. V. Inzhechik, J. Janicskó Csáthy, J. Jochum, M. Junker, V. Kazalov, T. Kihm, I. V. Kirpichnikov, A. Kirsch, A. Kish, A. Klimenko, R. Kneißl, K. T. Knöpfle, O. Kochetov, V. N. Kornoukhov, V. V. Kuzminov, M. Laubenstein, A. Lazzaro, V. I. Lebedev, B. Lehnert, H. Y. Liao, M. Lindner, I. Lippi, A. Lubashevskiy, B. Lubsandorzhiev, G. Lutter, C. Macolino, B. Majorovits, W. Maneschg, E. Medinaceli, M. Miloradovic, R. Mingazheva, M. Misiaszek, P. Moseev, I. Nemchenok, D. Palioselitis, K. Panas, L. Pandola, K. Pelczar, A. Pullia, S. Riboldi, N. Rumyantseva, C. Sada, F. Salamida, M. Salathe, C. Schmitt, B. Schneider, S. Schönert, J. Schreiner, O. Schulz, A. -K. Schütz, B. Schwingenheuer, O. Selivanenko, E. Shevchik, M. Shirchenko, H. Simgen, A. Smolnikov, L. Stanco, L. Vanhoefer, A. A. Vasenko, A. Veresnikova, K. von Sturm, V. Wagner, M. Walter, A. Wegmann, T. Wester, C. Wiesinger, M. Wojcik, E. Yanovich, I. Zhitnikov, S. V. Zhukov, D. Zinatulina, K. Zuber, G. Zuzel
粒子物理学的标准模型无法解释我们宇宙中物质对反物质的支配地位。在许多模型的扩展中，这是中微子是它们自己的反粒子（马约拉纳粒子）的一个非常自然的结果，这意味着一个轻子数违反放射性衰变称为无中微子双β（$0νββ$）衰变应该存在。检测这种极其罕见的假设过程需要最大限度地抑制任何类型的背景。GERDA合作研究$^{76}$ Ge（$^{76}\rm{Ge} \rightarrow\,^{76}\rm{Se} + 2e^-$）的$0νββ$衰变，方法是操作由锗制成的裸探测器，在液态氩中富集$^{76}$ Ge部分。在这里，我们报告了GERDA第二阶段的第一批数据。本底水平为$\approx10^{-3}$ cts/（keV $\cdot$ kg $\cdot$ yr），如果按锗探测器的窄能量-信号区域加权，这是世界上最好的。结合I期和II期数据，我们未发现任何信号，并推导出$5.3\cdot10^{25}$ yr在90% C. L下半衰期的新下限。我们的$4.0\cdot10^{25}$ yr的灵敏度与同位素质量明显更大的实验之一具有竞争力。GERDA是第一个$0νββ$实验，将是背景免费的，直到其设计曝光。这一进展依赖于一种新型的主动否决系统，优越的锗探测器能量分辨率和我们新探测器的改进背景识别。对$0νββ$衰变的基本上无背景搜索的独特发现潜力激发了具有更高灵敏度的更大的锗实验。
英文摘要：
The Standard Model of particle physics cannot explain the dominance of matter over anti-matter in our Universe. In many model extensions this is a very natural consequence of neutrinos being their own anti-particles (Majorana particles) which implies that a lepton number violating radioactive decay named neutrinoless double beta ($0νββ$) decay should exist. The detection of this extremely rare hypothetical process requires utmost suppression of any kind of backgrounds.
The GERDA collaboration searches for $0νββ$ decay of $^{76}$Ge ($^{76}\rm{Ge} \rightarrow\,^{76}\rm{Se} + 2e^-$) by operating bare detectors made from germanium with enriched $^{76}$Ge fraction in liquid argon. Here, we report on first data of GERDA Phase II. A background level of $\approx10^{-3}$ cts/(keV$\cdot$kg$\cdot$yr) has been achieved which is the world-best if weighted by the narrow energy-signal region of germanium detectors. Combining Phase I and II data we find no signal and deduce a new lower limit for the half-life of $5.3\cdot10^{25}$ yr at 90 % C.L. Our sensitivity of $4.0\cdot10^{25}$ yr is competitive with the one of experiments with significantly larger isotope mass.
GERDA is the first $0νββ$ experiment that will be background-free up to its design exposure. This progress relies on a novel active veto system, the superior germanium detector energy resolution and the improved background recognition of our new detectors. The unique discovery potential of an essentially background-free search for $0νββ$ decay motivates a larger germanium experiment with higher sensitivity.
Results on neutrinoless double beta decay from GERDA Phase I
锗探测器阵列（GERDA）是用于探测$^{76}$ Ge的无中微子双β（0 $νββ$）衰变的探测器，它安装在意大利INFN的国立大萨索实验室（LNGS）。本文介绍了GERDA的探测原理和探测器设置。并对GERDA第一阶段的主要物理结果进行了讨论。它们包括测量2 $νββ$衰变的半衰期、能谱的背景分解和根据信号的脉冲形状辨别背景的技术。在本文的最后一部分，我们估计了0-$νββ$的半衰期（$T^{0ν}_{1/2} >2.1\cdot 10^{25}$ yr at 90% C. L.）并与前人的结果进行了比较。来自第一阶段的GERDA数据强烈反对最近基于海德堡-莫斯科实验数据发现0 $νββ$的说法。
Final Results of GERDA on the Search for Neutrinoless Double-$β$ Decay
锗探测器阵列（GERDA）实验寻找$^{76}$ Ge的轻子数破坏的无中微子双$β$（$0νββ$）衰变，其发现将在宇宙学和粒子物理学中产生深远的影响。通过在有源液氩屏蔽中操作富含$^{76}$ Ge的裸锗二极管，GERDA在信号区实现了前所未有的低本底指数$5.2\times10^{-4}$计数/（keV $\cdot$ kg $\cdot$ yr），并满足了在无本底状态下收集100 kg $\cdot$ yr暴露量的设计目标。当结合第一阶段的结果时，在127.2 kg $\cdot$/年的总暴露量后未观察到信号。$^{76}$ Ge中$0νββ$衰变半衰期的限值设定为90% C.L.时的$T_{1/2}>1.8\times10^{26}$年，这与假定没有信号时的灵敏度一致。
Limit on the Radiative Neutrinoless Double Electron Capture of $^{36}$Ar from GERDA Phase I
无中微子双电子俘获是一个过程，如果被发现，将提供轻子数破坏和中微子马约拉纳性质的证据。利用意大利INFN Gran Sasso实验室锗探测器阵列（GERDA）第一阶段实验的数据，用安装在液氩中的锗探测器对$^{36}$ Ar的无中微子双电子俘获进行了研究。没有观察到信号，并建立了$^{36}$ Ar的辐射无中微子双电子捕获半衰期的实验下限：$T_{1/2} > $ 3.6 $\times$ 10 $^{21}$ yr，90% C. I.
Pulse shape discrimination studies with a Broad-Energy Germanium detector for signal identification and background suppression in the GERDA double beta decay experiment
Improved limit on neutrinoless double beta decay of $^{76}$Ge from GERDA Phase II
GERDA实验研究了$^{76}$ Ge（$^{76}$ Ge $\rightarrow$ $^{76}$ Se +2 e $^-$）的轻子数违反无中微子双β衰变的情况，该双β衰变是在液态氩中用富集的$^{76}$ Ge部分操作裸Ge二极管。BEGe型探测器的曝光量比我们以前发布的数据增加了三倍。BEGe探测器的特点是通过对探测器信号的时间曲线进行分析，可以实现出色的背景抑制。在分析窗口中，已达到$1.0_{-0.4}^{+0.6}\cdot10^{-3}$ cts/（keV $\cdot$ kg $\cdot$ yr）的背景水平;如果归一化为能量分辨率，则这是任何0 $νββ$实验中达到的最低水平。未观察到信号，新的90% C.L.结合我们以前的数据，确定了$8.0\cdot10^{25}$年半衰期的下限。假设无信号，预期灵敏度中位数为$5.8\cdot10^{25}$年。
Isotopically modified Ge detectors for {\sc Gerda}: from production to operation
\textsc{Gerda}实验通过新颖的脉冲形状鉴别（PSD）技术来搜索无中微子双β（$0νβ$ β $) decay of $ ^{76} $Ge using high-purity germanium detectors made of material enriched in $ ^{76} $Ge. For Phase II of the experiment a sensitivity for the half life $ T_{1/2} ^{0ν}\，\，\sim 2 \cdot 10^{26} $ yr is envisioned. Modified Broad Energy Germanium detectors (BEGe) with thick n$ ^+ $ electrodes provide the capability to efficiently identify and reject background events, while keeping a large acceptance for the $ 0νβ $beta$ -衰变信号。生产厚窗口BEGe型探测器的\textsc{Gerda}实验的可行性证明了通过测试所有的生产步骤，从采购的同位素改性锗工作BEGe探测器。对\textsc{Gerda} Phase II原型BEGe探测器的光谱…
Design and Performance of the GERDA Low-Background Cryostat for Operation in Water
在寻找$^{76}$ Ge的无中微子双β衰变过程中，在INFN国立大萨索实验室进行的锗探测器阵列（GERDA）实验在感兴趣的区域获得了远低于10 $^{-3}$ cts/（keV $\cdot$ kg $\cdot$ yr）的前所未有的低本底。它利用了第一次实现的一种新的屏蔽概念的基础上，一个大型低温恒温器充满了液体惰性气体，浸没在水箱。锗探测器无需在液氩中封装即可工作。氩气和水将实验室和低温恒温器构造材料的环境背景屏蔽到可忽略的水平。在此期间，各种实验都采用了同样的方法。本文概述了64 m $^3$液氩低温恒温器及其相关基础设施的设计和运行经验。讨论包括与水箱中大型低温恒温器的操作相关的具有挑战性的安全问题。
Addendum to: QRPA uncertainties and their correlations in the analysis of neutrinoless double beta decay
在以前的文章[Phys. Rev. D 79，053001（2009）]中，我们在准粒子无规相位近似（QRPA）中估计了与无中微子双β衰变（0 nu β β）的核矩阵元（NME）相关的不确定性。这种估计包括最近对NME的独立计算，因此仍然可以提供核模型不确定性的公平代表。在这种情况下，我们比较了Ge-76中0 nu β β衰变的声明与最近在Ge-136和其他核中的负结果，并推断了在90% C. L.时允许或排除的寿命范围。我们还强调了一些问题，应加以解决，以适当地比较和结合来自不同的0 nu β β衰变候选核的结果。
