Full analysis of the background for the search of neutrinoless double beta decay in GERDA

Abstract

Das GERmanium Detector Array (GERDA) Experiment strebt danach den neutrinolosen Doppelbetazerfall in Ge-76 zu entdecken. Die Datennahme der zweiten Phase von GERDA startete im Dezember 2015 mit dem Ziel, den Untergrund um eine Größenordnung zu reduzieren, um die Sensitivität auf T^0ν_1/2 = O(10^26 yr) zu erhöhen. Um das vorgenommene Untergrundniveau zu erreichen, wurden eine Vielzahl von ergänzenden Untergrundunterdrückungsmethoden angewendet. Diese Methoden konnten nur auf der Grundlage des Verständnisses und der Bewertung der beobachteten Untergrundquellen im gemessenen Energiespektrum entwickelt werden. In dieser Arbeit wird eine umfassende Analyse des Untergrunds präsentiert, welche alle zur Verfügung stehenden Informationen über den Untergrund einbindet. Dabei wurde ein detailliertes Untergrundmodell entwickelt, welches die Zusammensetzung des gemessenen Energiespektrums beschreibt. Erstmals wurden die Daten von Detektor-anti-koinzidenter Ereignissen in einem Multivariaten Bayesian-Fit-Anstatz mit den Daten von Detektor-koinzidenter Ereignisse kombiniert. Außerdem richtet das Untergrundmodell zusätzlichen seinen Schwerpunkt auf zwei Besonderheiten im Energiespektrum: die α-Ereignisse, die den hochenergetischen Teil des Spektrums dominieren, und die Zählraten der Kalium γ-Linien bei 1525 keV und 1461 keV. Durch die Modularität der Detektoranordnung konnte die Untersuchung der koinzidenten Ereignisse in den zwei-Detektor Daten integriert werden, welche weitere Erkenntnisse in Anbetracht auf mögliche Kontaminationsquellen liefert. Mithilfe des Untergrundmodells können wichtige Informationen im Hinblick auf die dominierenden Quellen, welche zum Untergrund um den Q-Wert des Zerfalls beitragen, abgeleitet werden. Zudem kann die spektrale Form des Gesamtuntergrunds extrahiert werden. Beides sind essenzielle Informationen um zuverlässige Ergebnisse für die Suche des neutrinolosen Doppelbetazerfalls. Gemäß dem Untergrundmodell sind die dominierenden Beiträge um den Q-Wert α Zerfällen von Po-210 und aus der Ra-226 Zerfallsreihe, sowohl β und γ Zerfälle von K-42, Th-228, Bi-214 und Co-60 zuzuschreiben. Hierbei hängen deren Anteile vom angenommenen Ort der Entstehung ab. Zusätzlich liefert die Rekonstruktion der unterschiedlichen Prozesse der einzelnen Beträge im Energiespektrum interessante Physik. Ein direkt ableitbares Ergebnis ist die Bestimmung der Halbwertszeit des zwei-Neutrino-behafteten Doppeltenbetazerfalls in Ge-76. Es wurde eine Halbwertszeit von T^2ν_1/2 = (2.03 ± 0.11)·10^21 yr bestimmt, welche konsistent mit den Ergebnissen aus Phase I ist.

The GERmanium Detector Array (GERDA) experiment aims for the discovery of neutrinoless double beta decay (0νββ) decay in Ge-76. The second phase (Phase II) of GERDA started data taking in Dec 2015 with the design goal of increasing the sensitivity to T^0v_1/2 = O(10^26 yr) by reducing the background by one order of magnitude. To achieve the target background level, a multitude of supplementary background suppression techniques have been applied in Phase II. Such techniques can only be built on the knowledge and estimation of the background sources observed in the energy spectrum. In this work, a full analysis of the background is presented where all available information on the background has been incorporated in order to develop a detailed background model describing the decomposition of the measured energy spectrum. For the first time, the single- and two-detector data have been combined in a multivariate Bayesian fit approach. Additionally, the background model focuses further on two prominent features in the energy spectrum: the α events dominating the high energy part of the spectrum and the count rates of the potassium γ lines at 1525 keV and 1461 keV. Thanks to the modularity of the detector array, a study of the coincident events in the two-detector data which can provide further information regarding the location of contaminations has been integrated. Using the background model, important information on the main sources and their locations contributing to the background around the Q-value of the decay (Qββ) can be deduced. Besides, the spectral shape of the total background around Qββ can be extracted. Both are crucial inputs for reliable results on the Ge-76 0νββ signal search. According to the background model, the main background contributions around Qββ come from K-42, energy-degraded α decays from Po-210, Th-228, Bi-214 and Co-60, with fractions depending on the assumed source locations. Furthermore, the reconstruction of the different processes due to the individual contributions in the energy spectrum provides many interesting physics results. A direct outcome of this work is the determination of the half-life of the two-neutrino accompanied double beta decay which has been determined as T^2ν_1/2 = (2.03 ± 0.11) · 10^21 yr. This result is in good agreement with the result obtained in Phase I.