Neutron capture on 76-Ge

Abstract

Experiments searching for the neutrinoless double beta (0vbb) decay require a very low and well understood background because of the expected long half-lives. GERDA investigates the 0vbb-decay, a part of this background is due to the capture of muon induced neutrons on the 76-Ge nuclei within the germanium diodes. The decay of the created 77-Ge nuclei could be misinterpreted as 0vbb-signal. If the moment of the neutron capture is known, the decay can be suppressed by introducing a sufficiently long dead time. The capture is revealed by the prompt gamma-cascade that releases the binding energy gained. The prompt radiation itself contributes to the overall background in the GERDA experiment as well. So far the prompt cascade was not well known. The spectrum of the 76-Ge(n,gamma) reaction was measured using the instrument for “Prompt Gamma Activation Analysis” (PGAA) at the Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in Garching to obtain the energies and intensities of the prompt transitions in 77-Ge. In a second measurement coincidences between these lines were determined to reconstruct the decay scheme. For a quantitative estimation of the background in GERDA the neutron capture propability for 76-Ge, i.e. its cross section, was determined by the activation method. Similar measurements were carried out for the 74-Ge isotop, present in the GERDA diodes as well.

Für Experimente zur Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall (0vbb) ist aufgrund der langen Halbwertszeiten ein sehr geringer, gut verstandener Untergrund unerlässlich. Im GERDA-Experiment, das den 0vbb-Zerfall von 76-Ge untersucht, wird ein relevanter Anteil des Untergrundes durch den Einfang von myoninduzierten Neutronen an den 76-Ge Kernen in den Detektoren erzeugt. Dadurch werden radioaktive 77-Ge Kerne gebildet, deren Zerfall fälschlicherweise als 0vbb Signal interpretiert werden kann. Ist der Zeitpunkt des Einfangs bekannt, kann ein Veto initialisiert werden, das den folgenden 77-Ge-Zerfall unterdrückt. Dies kann durch die Detektion der prompten Gamma-Strahlung geschehen, durch welche die gewonnene Bindungsenergie abgestrahlt wird. Die prompte Gamma-Strahlung trägt ihrerseits auch zum Untergrund bei. Die prompte Kaskade in 77-Ge war jedoch bisher weitgehend unbekannt. Das Spektrum der 76-Ge(n,gamma)-Reaktion wurde am Instrument für “Prompte Gamma Aktivierungsanalyse” (PGAA) an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in Garching vermessen und die Energien sowie die Intensitäten der Übergänge in 77-Ge bestimmt. In einer zweiten Messung wurden Koinzidenzen zwischen den einzelnen Linien gesucht. Dadurch konnte ein beträchtlicher Teil des Zerfallsschemas rekonstruiert werden. Zur quantitativen Abschätzung des Untergrundes in GERDA wurden die Wahrscheinlichkeiten, d.h. die Wirkungsquerschnitte für den Neutroneneinfang von 76-Ge mit der Aktivierungsmethode bestimmt. Äquivalente Messungen wurden auch f¨ur das ebenfalls in den GERDA-Detektoren vorhandene Isotop 74-Ge durchgeführt.