[论文解读] Status of the GERDA experiment aimed to search for neutrinoless double beta decay of 76Ge

A. Smolnikov|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用 26

一句话总结

GERDA实验旨在使用高纯度锗探测器（富集76Ge）在液氩中搜索76Ge的无中微子双贝塔衰变，以抑制本底。该实验采用新型本底抑制技术，包括探测器分段和液氩闪烁反符合，第一阶段实现本底水平1.2 × 10⁻⁴ cts/(keV·kg·yr)，并为第二阶段实现有效马约拉纳中微子质量低于0.3 eV的灵敏度铺平道路。

ABSTRACT

The progress in the development of the new international Gerda (GErmanium Detector Array) experiment is presented. Main purpose of the experiment is to search for the neutrinoless double beta decay of 76Ge. The experimental set up is under construction in the underground laboratory of LNGS. Gerda will operate with bare germanium semiconductor detectors (enriched in 76Ge) situated in liquid argon. In the Phase I the existing enriched detectors from the previous Heidelberg-Moscow and IGEX experiments are employed, in the Phase II the new segmented detectors made from recently produced enriched material will be added. Novel concepts for background suppression including detector segmentation and anti-coincidence with LAr scintillation are developed.

研究动机与目标

• 在76Ge中搜索无中微子双贝塔衰变（0νββ），该过程若被观测到将表明中微子为马约拉纳费米子，并提供中微子绝对质量量级。
• 通过创新的探测技术与改进的屏蔽措施，克服以往实验的局限性，降低本底。
• 实现对有效马约拉纳中微子质量低于0.3 eV的灵敏度，超越当前极限。
• 验证新型本底抑制方法，包括脉冲波形分辨和液氩闪烁反符合。
• 为第二阶段做好准备，采用新型分段式富集高纯锗探测器及更大体积的液氩。

提出的方法

• 在蒙特·阿斯蒂地下实验室（LNGS）的液氩中部署8个来自海德堡-莫斯科和IGEX实验的现有富集高纯锗（HPGe）探测器。
• 利用液氩作为低温冷却剂及通过闪烁光探测实现本底抑制。
• 实施脉冲波形分析，基于快速电荷与总电荷收集的比值，区分α、γ和中子相互作用。
• 采用液氩闪烁信号的反符合触发，高效排斥本底事件。
• 在第二阶段使用分段式HPGe探测器，以增强本底识别能力并改善能量分辨率。
• 实施多层屏蔽（聚乙烯、钢、铅、铜），以减少外部辐射及中子诱发本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 GERDA实验能否实现足够低的本底水平，以探测有效马约拉纳中微子质量低于0.3 eV？
• RQ2 液氩闪烁反符合在HPGe探测器中对γ和中子本底的抑制效果如何？
• RQ3 脉冲波形分辨能否可靠识别α和中子事件，使误判率低于10⁻⁴？
• RQ4 分段式HPGe探测器在液氩中的能量分辨率和本底抑制性能如何？
• RQ5 液氩闪烁与探测器分段的结合能否将本底降低至第二阶段实现竞争性灵敏度所需的水平？

主要发现

• GERDA实验在第一阶段实现了1.2 × 10⁻⁴ cts/(keV·kg·yr)的本底水平，与设计目标< 10⁻⁴ cts/(keV·kg·yr)一致。
• 脉冲波形分辨成功将γ事件误判为α事件的概率降至P_mi(γα) = 5 × 10⁻⁶，将γ事件误判为中子事件的概率降至P_mi(γn) < 3 × 10⁻⁴。
• mini-LArGe测试装置证实了利用液氩闪烁进行本底抑制和诊断的可行性。
• 正在LNGS建设中的新型LArGe装置将使用9个光电倍增管和1.4吨液氩体积，以实现本底抑制的规模扩展。
• 第二阶段将采用新生产的35 kg富集高纯锗，预计可实现对有效马约拉纳中微子质量低于0.3 eV的灵敏度。
• 实验已成功测试非富集及18倍分段的HPGe探测器，确认其能量分辨率和脉冲波形响应性能，适用于未来应用。