[论文解读] Searching for neutrinoless double beta decay with GERDA

GERDA Collaboration, M. Agostini+104 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2017

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

GERDA实验通过在格兰萨索地下实验室的液氩中运行高纯度富集锗探测器，搜寻锗-76中的无中微子双贝塔衰变。背景水平为10⁻³ cts/(keV·kg·yr)，实现了无背景环境，经过47.7 kg·yr的曝光，对76Ge的半衰期下限设定为>8.0×10²⁵ yr（90%置信水平），中位灵敏度为5.8×10²⁵ yr。

ABSTRACT

The GERmanium Detector Array (GERDA) experiment located at the INFN Gran Sasso Laboratory (Italy), is looking for the neutrinoless double beta decay of Ge76, by using high-purity germanium detectors made from isotopically enriched material. The combination of the novel experimental design, the careful material selection for radio-purity and the active/passive shielding techniques result in a very low residual background at the Q-value of the decay, about 1e-3 counts/(keV kg yr). This makes GERDA the first experiment in the field to be background-free for the complete design exposure of 100 kg yr. A search for neutrinoless double beta decay was performed with a total exposure of 47.7 kg yr: 23.2 kg yr come from the second phase (Phase II) of the experiment, in which the background is reduced by about a factor of ten with respect to the previous phase. The analysis presented in this paper includes 12.4 kg yr of new Phase II data. No evidence for a possible signal is found: the lower limit for the half-life of Ge76 is 8.0e25 yr at 90% CL. The experimental median sensitivity is 5.8e25 yr. The experiment is currently taking data. As it is running in a background-free regime, its sensitivity grows linearly with exposure and it is expected to surpass 1e26 yr within 2018.

研究动机与目标

• 搜寻76Ge中无中微子双贝塔衰变（0νββ），作为探测马约拉纳中微子质量与轻子数破坏的探针。
• 通过材料选择、屏蔽和探测器设计，最小化所有背景源，实现0νββ衰变探测的无背景环境。
• 利用47.7 kg·yr的大曝光量，对76Ge的0νββ衰变半衰期设定严格下限。
• 证明在无背景环境中，灵敏度随曝光量线性增长，从而具备未来发现潜力。
• 通过验证背景抑制技术与探测器性能，为下一代Legend实验奠定基础。

提出的方法

• 使用富集至约87% 76Ge的高纯度锗（HPGe）探测器，直接浸入液氩中实现自屏蔽。
• 采用低本底实验设计，结合主动与被动屏蔽（包括液氩和聚乙烯），以抑制外部和本征背景。
• 实施低放射性材料选择协议，最大限度减少探测器组件及周围结构的本征放射性。
• 应用轮廓似然检验统计量，并结合玩具蒙特卡洛模拟，计算频派置信区间，确保在低统计量情况下的正确覆盖。
• 采用贝叶斯分析，对信号强度使用平坦先验，计算90%可信区间，补充频派结果。
• 通过能量校准和脉冲波形分析识别并剔除背景事例，重点分离Qββ = 2039 keV处的单能信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在47.7 kg·yr曝光量下，76Ge无中微子双贝塔衰变的半衰期当前下限是多少？
• RQ2 GERDA在多大程度上实现了无背景环境？这如何影响灵敏度与曝光量的标定关系？
• RQ3 GERDA的灵敏度与其它领先的0νββ衰变实验相比如何，特别是使用136Xe的实验？
• RQ4 GERDA对0νββ衰变的预期发现潜力如何？灵敏度预计在何时超过10²⁶ yr？
• RQ5 在100 kg·yr曝光量下，背景水平能否维持在10⁻³ cts/(keV·kg·yr)，从而实现灵敏度的线性增长？

主要发现

• GERDA实验对76Ge无中微子双贝塔衰变的半衰期下限定为>8.0×10²⁵ yr（90%置信水平）。
• 实验的中位灵敏度为5.8×10²⁵ yr，表明在相同曝光量的典型实验中预期达到的极限。
• 在Q值（2039 keV）处的背景水平测量为10⁻³ cts/(keV·kg·yr)，使GERDA成为首个实现100 kg·yr曝光量下无背景环境的实验。
• 第二阶段背景水平（按能量分辨率和效率归一化）为5（20）counts/(ton·yr)（BEGe（同轴）探测器），优于其他非76Ge实验的五倍或更多。
• 在尚待分析的11.2 kg·yr未盲化同轴数据之后，预计中位灵敏度将在2018年超过10²⁶ yr。
• 完整100 kg·yr曝光量的预期灵敏度约为1.4×10²⁶ yr，当半衰期高达约8×10²⁵ yr时，有50%的概率可宣称3σ的0νββ衰变证据。