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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
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0νββνββνββνββ Zerfallsrate
PhasenraumPhasenraum--
faktorfaktor (~Q(~Qββββ55))
NuklearesNukleares
MatrixelementMatrixelementEffektiveEffektive MajoranaMajorana--
NeutrinomasseNeutrinomasse
kohärente Summe
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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
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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).
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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)
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GERDA Sensitivität
angenommene Energie-auflösung:
∆E = 4 keV
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GERDA Sensitivität
Phase II
Klapdor-Kleingrothaus et al., PLB 586, 198ff
Phase I
Phase III
FeruglioStrumiaVissani
NPB 659, 359ff
(hep-ph/ 0201291)
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GERDA Design I
Reinraum Schleuse
Wassertank
Kryostat
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GERDA Design II
Germanium-detektoren
Vakuumisolierter doppel-wandiger Edelstahlkryostat
Zusätzliche innereKupferabschirmung
Flüssiges Argon
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� 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
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Gemessene Edelstahlproben für den GERDA-Kryostaten
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Schleusensystem
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N2-Reinigung für BOREXINO
Produktionsrate: 100 m3/h222Rn <1 Atom/4m3 (STP)
Aktivkohle-säulen
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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)
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GERDA Detektor-Labor am Gran Sasso
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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)
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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
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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
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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
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LArGe @ Gran Sasso
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Monte Carlo Simulationen
� Gemeinsamer Gerda/MajoranaSimulationscode “MaGe”basierend auf GEANT4
� Umfangreiche Validierung der verwendeten Physik (Mehrzahl der Testaufbauten sind implementiert)
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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