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LArGe - A liquid argon scintillation veto for GERDA

Heisel, Mark

German Title: LArGe - Ein Flüssigargon-Szintillationsveto für Gerda

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Abstract

LArGe is a Gerda low-background test facility to study novel background suppression methods in a low-background environment, for possible applications in the Gerda experiment. Gerda searches for the neutrinoless double-beta decay in Ge-76, by operating naked germanium detectors submersed into 65 qm of liquid argon. Similarly, LArGe runs Ge-detectors in 1 qm (1.4 tons) of liquid argon, which in addition is instrumented with photomultipliers to detect argon scintillation light. The light is used in anti-coincidence with the germanium detectors, to effectively suppress background events that deposit energy in the liquid argon. This work adresses the design, construction, and commissioning of LArGe. The background suppression efficiency has been studied in combination with a pulse shape discrimination (PSD) technique for various sources, which represent characteristic backgrounds to Gerda. Suppression factors of a few times 10^3 have been achieved. First background data of LArGe (without PSD) yield a background index of (0.12-4.6)·10^-2 cts/(keV·kg·y) (90% c.l.), which is at the level of the Gerda phase I design goal. Furthermore, for the first time we measure the natural Ar-42 abundance (in parallel to Gerda), and have indication for the 2nubb-decay in natural germanium.

Translation of abstract (German)

LArGe ist ein Gerda low-background Teststand zur Entwicklung neuartiger Methoden der Untergrundunterdrückung für einen möglichen Einsatz in Gerda. Gerda sucht nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in Ge-76, und verwendet dazu nackte Germaniumdetektoren in 65 qm flüssigem Argon. Auf vergleichbare Weise betreibt LArGe Ge-Detektoren in 1 qm (1.4 Tonnen) flüssigem Argon, welches zusätzlich mit Photomultipliern zum Nachweis von Szintillationslicht instrumentiert ist. Das Licht wird in Antikoinzidenz mit den Ge-Detektoren dazu verwendet, jene Untergrundereignisse effektiv zu unterdrücken, die Energie im flüssigen Argon deponieren. Die Arbeit behandelt die Entwicklung, den Aufbau und den Testbetrieb von LArGe. Die Effizienz der Untergrundunterdrückung wurde zusammen mit einer Pulsformdiskriminationstechnik (PSD) für verschiedene Quellen untersucht, die charakteristische Untergrundbeiträge von Gerda repräsentieren. Unterdrückungsfaktoren von einigen 10^3 wurden erreicht. Erste Daten einer Untergrundmessung in LArGe (ohne PSD) ergaben einen Untergrundindex von (0.12-4.6)·10^-2 cts/(keV·kg·y) (90% c.l.), was im Bereich der Designvorgabe von Gerda Phase I liegt. Weiterhin wurde zum ersten Mal die natürliche Ar-42 Konzentration gemessen (parallel zu Gerda), und es gibt Hinweise auf den 2nubb -Zerfall in natürlichem Germanium.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hampel, Prof. Dr. Wolfgang
Date of thesis defense: 13 April 2011
Date Deposited: 03 May 2011 08:00
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Hintergrundstrahlung, Doppelter Betazerfall
Uncontrolled Keywords: Untergrundunterdrückung , Germaniumdetektor , Pulsformanalyse , Argon-42background suppression , double beta decay , germanium detectors , pulse shape discrimination , argon-42
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