Tablica detektorów germanu

Germanium na Detector Array (lub GERDA ) miał celu poszukiwanie podwójnego rozpadu beta bez neutrin (0νββ) w Ge-76 w podziemnym Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Oczekuje się, że bezneutrinowy rozpad beta będzie bardzo rzadkim procesem, jeśli wystąpi. Współpraca przewidywała mniej niż jedno zdarzenie rocznie na kilogram materiału, pojawiające się jako wąski skok wokół wartości Q 0νββ (Q _ββ = 2039 keV) w obserwowanym widmie energii. Oznaczało to ekranowanie tła był wymagany do wykrycia wszelkich rzadkich rozpadów. Obiekt LNGS ma 1400 metrów nadkładu skalnego , co odpowiada 3000 metrom osłony wodnej, redukującej tło promieniowania kosmicznego . Eksperyment GERDA był prowadzony od 2011 roku w LNGS.

Po zakończeniu eksperymentu GERDA, współpraca GERDA połączyła się ze współpracą MAJORANA w celu zbudowania nowego eksperymentu LEGENDA.

GERDA ogłosiła swoje ostateczne wyniki w grudniu 2020 r. w pismach Physical Review Letters . Eksperyment osiągnął wszystkie cele, które sobie wyznaczył, ale nie wykryto żadnych zdarzeń 0νββ.

Doświadczenie z GERDA doprowadziło do oczekiwania, że dalsza redukcja tła jest w zasięgu ręki, tak że możliwy stał się eksperyment bez tła z jeszcze większą mocą źródła, odpowiednio ekspozycją. Współpraca LEGEND, kontynuująca prace GERDA, miała na celu zwiększenie czułości na okres półtrwania rozpadu 0νββ do ${\ displaystyle 10 ^ {28} lat}$ . W pierwszej fazie planowano rozmieszczenie detektorów wzbogaconego germanu o masie 200 kg w nieco zmodyfikowanej infrastrukturze GERDA z rozpoczęciem zbierania danych planowanym na 2021 rok.

Projekt

W eksperymencie wykorzystano diody kryształowe Ge o wysokiej czystości wzbogacone ( HPGe ) jako źródło rozpadu beta i detektor cząstek . Detektory z eksperymentów HdM ( Heidelberg-Moskwa ) i IGEX zostały ponownie przetworzone i użyte w fazie 1. Układ detektorów został zawieszony w kriostacie z ciekłym argonem wyłożonym miedzią i otoczony zbiornikiem na wodę ultraczystą. PMT w zbiorniku wody i plastikowe scyntylatory powyżej wykryły i wykluczyły miony tła . Rozróżnianie kształtu impulsu (PSD) zastosowano jako cięcie w celu rozróżnienia typów cząstek.

GERDA poszedł w ślady innych eksperymentów 0νββ z użyciem germanu; już ponad 50 lat temu (tj. około 1970 r.) grupa mediolańska użyła detektora germanowego o masie 0,1 kg do pierwszych poszukiwań rozpadu 0νββ za pomocą detektora germanowego. Od tego czasu czułość wzrosła milion razy.

Faza 2 zwiększyła masę aktywną do 38 kg przy użyciu 30 nowych detektorów germanowych (BEGe) o szerokiej energii. Zaplanowano redukcję wielkości tła do 10-3 ^zliczeń /(keV·kg·rok) przy użyciu czystszych materiałów. Zwiększyło to czułość okresu półtrwania do 10 ²⁶ lat po zebraniu 100 kg·rok danych i umożliwiło ocenę możliwej ekspansji w skali tonowej.

Wyniki

Faza I zebrała dane od listopada 2011 do maja 2013, przy narażeniu 21,6 kg·rok. Nie zaobserwowano rozpadów bez neutrin, co dało granicę okresu półtrwania 0νββ 90% CL wynoszącą $beta}> 2,1 \ cdot 10 ^ {25} rok}$ . Limit ten można połączyć z wcześniejszymi wynikami, zwiększając go do 3,10 ²⁵ lat, odrzucając twierdzenie Heidelberg-Moskwa o wykryciu. Odnotowano również ograniczenie efektywnej masy neutrin: m _ν < 400 meV.

Zmierzono również okres półtrwania podwójnego rozpadu beta (z dwoma neutrinami): T _2νββ = 1,84·10 ²¹ lat.

Faza II miała dodatkowe wzbogacone detektory Ge i zmniejszone tło, podnosząc czułość o jeden rząd wielkości.

Faza II (7 strun, 35,8 kg wzbogaconych detektorów) została uruchomiona w grudniu 2015 r.

Wstępne wyniki fazy II zostały opublikowane w Nature. Wskaźnik tła dla detektorów BEGe wynosił 0,7·10-3 ^zliczeń /(keV·kg·rok), co przekładało się na mniej niż jedno zliczenie w obszarze sygnału po ekspozycji 100 kg·rok. Ponownie nie zaobserwowano rozpadów bezneutrinowych, co spowodowało, że obecna granica okresu półtrwania wynosi T _1/2 > 5,3·10 ²⁵ lat (90% CL).

Od 2018 r. Kontynuowano zbieranie danych w fazie II.

W grudniu 2020 r. ogłoszono ostateczne wyniki GERDA. Nie wykryto 0νββ, a eksperyment wykazał dolną granicę okresu półtrwania 0νββ w Ge-76 ${\ Displaystyle T_ {0 \ nu \ beta \ beta}> 1,8 \cdot 10^{26}rok}$ . Zgłoszona ostateczna dolna granica zgadzała się z oczekiwaną wartością czułości eksperymentu i była najbardziej rygorystyczną wartością rozpadu dowolnego zmierzonego izotopu 0νββ. Również częstość zdarzeń w tle GERDA była najnowocześniejsza w tej dziedzinie. W końcowej fazie GERDA rozmieściła 41 detektorów germanowych o łącznej masie 44,2 kg, z bardzo wysokim procentem wzbogacenia germanu-76.

Publikacje

Współpraca GERDA, Agostini M.; i in. (19 września 2013). „Wyniki bezneutrinowego podwójnego rozpadu β ⁷⁶ Ge z fazy I eksperymentu GERDA” (PDF) . Listy z przeglądu fizycznego . 111 (12): 122503. arXiv : 1307,4720 . Bibcode : 2013PhRvL.111l2503A . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.122503 . PMID 24093254 .
Współpraca GERDA, Agostini M.; i in. (12 lutego 2013). „Pomiar okresu półtrwania podwójnego rozpadu beta dwóch neutrin ⁷⁶ Ge za pomocą eksperymentu GERDA”. Dziennik Fizyki G. 40 (3): 035110. arXiv : 1212.3210 . Bibcode : 2013JPhG...40c5110T . doi : 10.1088/0954-3899/40/3/035110 . S2CID 119118050 .
Współpraca GERDA, Ackermann K.-H.; i in. (marzec 2013). „Eksperyment GERDA w poszukiwaniu rozpadu 0νββ w ⁷⁶ Ge” . Europejski Dziennik Fizyczny C. 73 (3): 2330. arXiv : 1212.4067 . Bibcode : 2013EPJC...73.2330A . doi : 10.1140/epjc/s10052-013-2330-0 .
Współpraca GERDA, Agostini M.; i in. (5 kwietnia 2017). „Poszukiwanie bez tła rozpadu podwójnego β bez neutrin ^za pomocą GERDA” . Natura . 544 (7648): 47–52. ar Xiv : 1703.00570 . Bibcode : 2017Natur.544...47A . doi : 10.1038/natura21717 . PMID 28382980 . S2CID 4456764 .

Linki zewnętrzne