German Title: Flüssig Argon als aktive Abschirmung und Kühlmittel für nackte Germanium detektroren: Eine neuartige Methode zur Untergrund Unterdrückung für das Gerda 0(nu/beta/beta) Experiment

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Abstract

Zwei der wichtigsten offenen Fragen in der Teilchenphysik sind die, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, wie die meisten Erweiterungen des Standardmodells vorhersagen und was die absolute Masse der Neutrinos ist. Die höchste Sensitivität um dies zu untersuchen bietet der neutrinolose Doppelbetazerfall (0ν β β) der mittels des ββ Isotops 76Ge untersucht werden kann. Ein Teil der Kollaboration des 76Ge Experiments Heidelberg-Moskau (HdM) hat eine Evidenz für die Entdeckung des 0νββ-Zerfalls veröffentlicht. Das neue 0νββ-Experiment Gerda wird 76Ge-angereicherte Germaniumdetektoren in Flüssigargon (LAr) betreiben um diese Evidenz innerhalb eines Jahres (Phase I) mit 15 kg·y Statistik bei einem Untergrund von ≤10−2 cts/(kg·keV·y) zu überprüfen. Das LAr dient dabei als Kühlflüssigkeit und hochreine Abschirmung. Phase II wird mit 100 kg·y und einem Untergrund von ≤10−3 cts/(kg·keV·y) in höhere Sensitivitätsbereiche vorstoßen. Dafür sind neue Methoden zur Unterdrückung des kosmogenen Untergrunds der Dioden erforderlich, welcher für 60Co ∼2.5·10−3 cts/(kg·keV·y) beträgt. Flüssigargon ist ein Szintillator im UV Bereich (λ=128 nm) und ein neuartiges Konzept ist es, das Szintillationslicht als Anti-Koinzidenzsignal für die Untergrundunterdrückung zu nutzen. In dieser Arbeit wurde die Effizienz eines solchen Anti-Koinzidenz-Vetos mittels LAr-Szintillation erstmalig untersucht. Mit einem Testaufbau (aktive LAr Masse 19 kg) wurde ein Faktor 3 Unterdrückung für 60Co und ein Faktor 17 für 232Th im Bereich um Q(beta/beta)=2039 keV erreicht. Ein größeres aktives Volumen wird die Unterdrückung weiter verbessern (Faktor O(100) für 1t LAr für 232Th und 60Co). Darüber hinaus kann die LAr Szintillation zur Untergrunddiagnose eingesetzt werden. Dazu wurde eine neue, sehr stabile Wellenlängenschieber/Reflektor Kombination für den LAr-Szintillationslichtnachweis entwickelt, mit dem eine Lichtausbeute von 1.2 Photoelektronen pro keV erreicht wurde. Damit wurde durch Pulsformanalyse ein Diskriminationsfaktor von 2 · 106 zwischen α-s und γ-s und von 3 · 103 zwischen γ-s und Neutronen erreicht.

Translation of abstract (English)

Two of the most important open questions in particle physics are whether neutrinos are their own anti-particles (Majorana particles) as required by most extensions of the StandardModel and the absolute values of the neutrino masses. The neutrinoless double beta (0νββ) decay, which can be investigated using 76Ge (a double beta isotope), is the most sensitive probe for these properties. There is a claim for an evidence for the 0νββ decay in the Heidelberg-Moscow (HdM) 76Ge experiment by a part of the HdM collaboration. The new 76Ge experiment Gerda aims to check this claim within one year with 15 kg·y of statistics in Phase I at a background level of ≤10−2 events/(kg·keV·y) and to go to higher sensitivity with 100 kg·y of statistics in Phase II at a background level of ≤10−3 events/(kg·keV·y). In Gerda bare germanium semiconductor detectors (enriched in 76Ge) will be operated in liquid argon (LAr). LAr serves as cryogenic coolant and as high purity shielding against external background. To reach the background level for Phase II, new methods are required to suppress the cosmogenic background of the diodes. The background from cosmogenically produced 60Co is expected to be ∼2.5·10−3 events/(kg·keV·y). LAr scintillates in UV (λ=128 nm) and a novel concept is to use this scintillation light as anti-coincidence signal for background suppression. In this work the efficiency of such a LAr scintillation veto was investigated for the first time. In a setup with 19 kg active LAr mass a suppression of a factor 3 has been achieved for 60Co and a factor 17 for 232Th around Q(beta/beta)=2039 keV. This suppression will further increase for a one ton active volume (factor O(100) for 232Th and 60Co). LAr scintillation can also be used as a powerful tool for background diagnostics. For this purpose a new, very stable and robust wavelength shifter/reflector combination for the light detection has been developed, leading to a photo electron (pe) yield of as much as 1.2 pe/keV. With this pe-yield a discrimination factor of 2 ·106 between γ-s and α-s and a factor 3 ·103 between γ-s and neutrons has been achieved by pulse shape analysis.