Muonic Background in the GERDA Neutrinoless Double-Beta Experiment

Abstract

Muons can cause a non-negligible background in rare-event experiments like GERDA which searches for the neutrinoless double-beta decay (0νββ) in the isotope 76Ge. The kinetic energy of cosmogenic muons depends on the progenitor particle, hence they can have an energy which is high enough to penetrate even the deepest underground laboratory. For this reason GERDA is equipped with a powerful muon veto system which in most parts was developed in Tübingen. In this work, a plastic scintillator veto was added to the existing water Cherenkov veto in order to protect a weak spot. Existing hardware was maintained, frequently calibrated and faulty modules exchanged when possible. The DAQ and analysis was upgraded in order to run both veto systems simultaneously. The system was simulated with a GEANT4-based Monte-Carlo simulation. Multiplicity and photon spectra of the simulations were found to be in good agreement with the experimental data and give an efficiency for the detection of energy-depositing muons of ϵ(sim)=(99.935+/-0.015)%. Two external effects were clearly identified in the muon veto data: additional muons originating from the CNGS-beam at CERN and an annual flux modulation due to seasonal atmospheric temperature changes. Both effects were measured with high precision and agree well with other experiments. Coincidences with the germanium detectors were studied and muon-germanium coincidences were clearly identified. By defining a muon cut, a muon rejection efficiency of the germanium detectors of ϵ(Ge)=(99.2^{+0.3}_{-0.4})% was found. Two methods were pursued to find radioactive isotopes produced by muons through spallation or neutron activation. The result of both methods is compatible with zero, i.e. no events could be clearly identified. The overall functionality of the muon veto for Phase~I of GERDA was successfully maintained and verified.

Myonen können in Experimenten, die nach extrem seltenen Ereignissen suchen, einen nichtverschwindenden Untergrund verursachen. Durch die potentiell extrem hohe kinetische Energie der Myonen, koennen diese in die tiefsten Untergrundlabore eindringen. Aus diesem Grund ist das GERDA Experiment, welches den neutrinolosen Doppelten Betazerfall (0νββ) im Isotop 76Ge sucht, mit einem Myonveto ausgestattet, welches zu den größten Teilen in Tübingen entwickelt wurde. In dieser Arbeit wurde das Wasser-Tscherenkow-Veto durch ein System von Plastikszintillatoren komplettiert, welches einen blinden Fleck schützen soll. Die verbauten Detektoren wurden instand gehalten, regelmässig kalibriert und fehlerhafte Module ausgetauscht, sobald sich die Möglichkeit ergab. Die Datenverarbeitung und die Analysemodule wurden erweitert um die beiden Vetosystem parallel zu betreiben und auszuwerten. Das gesamte Veto wurde mithilfe einer auf GEANT4-basierenden Monte-Carlo Simulation untersucht. Die erzeugten Photonen- und Multiplizitätsspektren der Simulation wurden mit den Daten verglichen und stimmen gut überein. Myonen, die in den Germaniumdetektoren Energie deponieren, werden in den Simulationen durch das Veto mit einer Effizienz von ϵ(sim)=(99.935+/-0.015)% verworfen. Zwei Effekte wurden untersucht, die den Myonfluss beeinflussen: zum einen zusätzliche Myonen vom CNGS am CERN, zum anderen die natürliche Modulation des Myonflusses durch die jahreszeitliche Veränderungen der atmosphärischen Temperatur. Beide Effekte wurden mit hoher Präzision vermessen und stimmen gut mit anderen Experimenten überein. Koinzidenzen zwischen Myonveto und Germaniumdetektoren konnten klar identifiziert werden und eindeutige Myontreffer in den Germaniumdetektoren können mit einer Effizienz von ϵ(Ge)=(99.2^{+0.3}_{-0.4})% verworfen werden. Mit zwei Methoden wurde versucht Isotope zu identifizeren, welche von Myonen duch Spallation und Neutronenaktivierung produziert werden. Diese blieben bisher erfolglos. Die Funktionalität des Vetosystems wurde gezeigt und erweitert.