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Search for double beta decay with HPGe detectors at the Gran Sasso underground laboratory

Chkvorets, Oleg

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Abstract

Neutrinoless double-beta (0νββ) decay is practically the only way to establish the Majorana nature of the neutrino mass and its decay rate provides a probe of an effective neutrino mass. Double beta experiments are long-running underground experiments with specific challenges concerning the background reduction and the long term stability. These problems are addressed in this work for the Heidelberg-Moscow, Genius-Test-Facility and Gerda experiments. The Heidelberg-Moscow (HdM) experiment collected data with enriched 76Ge detectors from 1990 to 2003. An improved analysis of Heidelberg-Moscow data is presented, exploiting new calibration and spectral shape measurements with the HdM detectors. Genius-Test-Facility was a test-facility that verified the feasibility of using bare germanium detectors in liquid nitrogen. The first year results of this experiment are discussed. The Gerda experiment has been designed to further increase the sensitivity by operating bare germanium detectors in a high purity cryogenic liquid, which simultaneously serves as a shielding against background and as a cooling media. In the preparatory stage of Gerda, an external background gamma flux measurement was done at the experimental site in the Hall A of the Gran Sasso laboratory. The characterization of the enriched detectors from the Heidelberg-Moscow and Igex experiments was performed in the underground detector laboratory for the Gerda collaboration. Long term stability measurements of a bare HPGe detector in liquid argon were carried out. Based on these measurements, the first lower limit on the half-life of neutrinoless double electron capture of 36Ar was established to be 1.85·10^18 y (68% C.L).

Translation of abstract (German)

Der neutrinolose doppelte Betazerfall (0νββ) ist die einzigeMethode, die Majoranaeigenschaft des Neutrinos nachzuweisen. Seine Zerfallsrate erlaubt es, die effektive Neutrinomasse zu bestimmen. Experimente zum neutrinolosen doppelten Betazerfall zeichnen sich durch lange Meßzeiten in unterirdischen Labors aus. Sie erfordern eine starke Reduktion der Umgebungsradioaktivität und eine hohe Langzeitstabilität. Diese Probleme stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit, die im Zusammenhang mit den Experimenten Heidelberg- Moscow, Genius-Test-Facility und Gerda entstanden ist. Die Datennahme des Heidelberg-Moscow Experiments erstreckte sich über die Jahre 1990 bis 2003. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine verbesserte Datenanalyse der Heidelberg-Moscow Daten präsentiert. Bei Genius-Test-Facility handelt es sich um einen Testaufbau, in dem geprüft wurde, ob nackte Germanium Detektoren in flüssigem Stickstoff betrieben werden können. Die Daten des ersten Jahres dieses Experiments werden diskutiert. Das Gerda Experiment wurde entwickelt, um die experimentelle Empfindlichkeit weiter zu verbessern, indem nackte Germanium Detektoren direkt in eine hochreine Kryoflüssigkeit eingebracht werden. Letztere dient sowohl als Kühlmedium, als auch zur Abschirmung gegen radioaktiven Untergrund. Hierzu wurde zunächst die Untergrundradioktivität am Ort des Gerda Experiments in der Halle A des Gran Sasso Untergroundlabors gemessen. Zudem wurden die angereicherten Detektoren der Experimente Heidelberg-Moscow und Igex im unterirdischen Detektorlabor der Gerda Kollaboration charakterisiert und die Langzeitstabilität eines nackten HPGe Detektors in fl¨ussigem Argon untersucht. Dabei wurde erstmals eine untere Grenze für die Halbwertzeit des neutrinolosen doppelten Elektroneneinfangs in 36Ar ermittelt: 1.85·10^18 a bei 68% statistischer Sicherheit.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dr. Karl-Tasso Knöpfle, Prof.
Date of thesis defense: 16. July 2008
Date Deposited: 18. Jul 2008 13:55
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: neutrinolose doppelte Betazerfall
Uncontrolled Keywords: neutrinoless double-beta decay
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