Das GERDAExperiment

Hardy SimgenMax-Planck-Institut für Kernphysik

Heidelberg

für dieGERDA Kollaboration

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 2

Der Doppelbetazerfall

� Kontinuierlichesββ-Spektrum

� Nur möglich, wenn νMajorana-Teilchen

� Peak bei Qββ erwartet

∆∆L = 2L = 2

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 3

0νββνββνββνββ Zerfallsrate

PhasenraumPhasenraum--

faktorfaktor (~Q(~Qββββ55))

NuklearesNukleares

MatrixelementMatrixelementEffektiveEffektive MajoranaMajorana--

NeutrinomasseNeutrinomasse

kohärente Summe

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 4

Warum Germanium?

� Doppelbeta-Isotop 76Ge!� Anreicherung von 76Ge ist möglich

(Natürliche Häufigkeit: 7.4%)� Germanium Halbleiterdioden

� Quelle = Detektor� Exzellente Energieauflösung� Hochrein (Einkristall)

� Lange Erfahrung mit Low-Level Germanium Spektrometrie

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 5

Das Konzept von GERDA

� Ziel: Signifikante Untergrundreduzierung auf ≤10-3 cts/(kg⋅keV⋅y)

� Verunreinigungen in Vorgängerexperimenten hauptsächlich in Kryostat / Diodenhalterung

→ „nackte“ Dioden in verflüssigtem Gas� Verflüssigte Gase eine der radioaktiv reinsten

Substanzen überhaupt(z.B.: BOREXINO-LN2: <1 Rn-Atom in 4m3).

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 6

Phasen von GERDA

� Phase I:� Verwendung existierender 76Ge-Dioden der Hd-

Moskau- und IGEX-Experimente (~15 kg 76Ge)� Untergrundfreie Überprüfung der KK-Evidenz

� Phase II:� Hinzufügen neuer Dioden (Total: ~40 kg 76Ge)� Segmentierung

� Falls KK-Evidenz nicht bestätigt wird:� Ziel: O(1 Tonne) Experiment in weltweiter

Kollaboration (Kooperation mit Majorana)

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 7

GERDA Sensitivität

angenommene Energie-auflösung:

∆E = 4 keV

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 8

GERDA Sensitivität

Phase II

Klapdor-Kleingrothaus et al., PLB 586, 198ff

Phase I

Phase III

FeruglioStrumiaVissani

NPB 659, 359ff

(hep-ph/ 0201291)

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 9

GERDA Design I

Reinraum Schleuse

Wassertank

Kryostat

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 10

GERDA Design II

Germanium-detektoren

Vakuumisolierter doppel-wandiger Edelstahlkryostat

Zusätzliche innereKupferabschirmung

Flüssiges Argon

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 11

� Edelstahl enthält U/Th-Verunreinigungen (und 60Co)

� Zusätzliche Abschirmung durch innere Kupferplatten

� Benutzung von LAr statt LN2

� Selektion von möglichst reinem Edelstahl (SS 1.4571)

Radioaktive Rein-heit des Kryostaten

<5 mBq/kg

<10 mBq/kg

228Th Anforderungen

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 12

Gemessene Edelstahlproben für den GERDA-Kryostaten

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 13

Schleusensystem

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 14

N2-Reinigung für BOREXINO

Produktionsrate: 100 m3/h222Rn <1 Atom/4m3 (STP)

Aktivkohle-säulen

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 15

Argon-Reinigung von 222Rn

� Gleiches Prinzip wie Stickstoff-Reinigung� Aber anfängliche 222Rn-Konzentration in Ar

höher als in N2

� In Gasphase erreicht:

� Reinigung funktioniert auch in Flüssigphase!

222Rn in Ar: <1 Atom/4m3 (STP)

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 16

GERDA Detektor-Labor am Gran Sasso

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 17

GERDA Phase I

� Detektorhalter mit geringer Masse entwickelt und getestet

� Viele Aufwärm- und Abkühlzyklen erfolgreich durchgeführt

� Vorhandene Dioden aus Kryostaten entfernt und überarbeitet (fast beendet)

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 18

GERDA Phase II

� September 2005: 37.5 kg 76Ge produziert� ~87% Anreicherung� als GeO2 vorliegend� Chemische Reinheit: 99.95 % (noch nicht

ausreichend)

� Unterirdische Lagerung bis über weiteres Vorgehen entschieden wird

� Untersuchung verschiedener Optionen für Kristalziehen

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 19

Resultate für 18-fach segmentierten Detektor

E [keV]1560 1580 1600 1620 1640 1660

dN/d

E

0

500

1000

1500

2000

2500All events

Single segment events

� Unterdrückung einer 10 cm entfernten 228Th-Quelle

60Co 228Th

Multi-siteSingle-

site

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 20

Untergrundreduzierung durch LAr-Szintillation

Energy [keV]0 500 1000 1500 2000 2500

-510

-410

-310

-210

-110

rate [hz] Ge signal

Ge signal with LAr veto

bkgd data

bkgd data with LAr veto

232Th-Quelle

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 21

LArGe @ Gran Sasso

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 22

Monte Carlo Simulationen

� Gemeinsamer Gerda/MajoranaSimulationscode “MaGe”basierend auf GEANT4

� Umfangreiche Validierung der verwendeten Physik (Mehrzahl der Testaufbauten sind implementiert)

9.3.2007 H. Simgen, DPG-Tagung Heidelberg 2007, T 502.3 23

GERDA Zeitplan

� Fundament im Gran Sasso existiert� Bald: Konstruktion der Bodenplatte des

Wassertanks� Sommer 2007: Anlieferung des Kryostaten� Danach:

� Fertigstellung des Wassertanks� Bau des GERDA-Gebäudes� Installation von Reinraum und Schleuse

� Ziel: Inbetriebnahme des Experiments in der zweiten Jahreshälfte 2008