ゲルマニウム検出器アレイ

ゲルマニウム検出器アレイ（GERDA）実験は、地下のグラン・サッソ国立研究所（LNGS）でGe-76のニュートリノなし二重ベータ崩壊（0νββ）を探査していた。ニュートリノなしベータ崩壊は、発生したとしても非常にまれなプロセスであると予想されている。共同研究チームは、物質1キログラムあたり年間1件未満のイベントを予測し、観測されたエネルギースペクトルの0νββ Q値（Q _ββ = 2039 keV）付近の狭いスパイクとして現れた。これは、まれな崩壊を検出するためにバックグラウンドシールドが必要であることを意味した。LNGS施設には1400メートルの岩盤被覆があり、これは3000メートルの水遮蔽に相当し、宇宙放射線バックグラウンドを低減している。GERDA実験は2011年以降、LNGSで運用された。^[1]

GERDA 実験を完了した後、GERDA コラボレーションはMAJORANAコラボレーションと統合され、新しい実験 LEGEND が構築されました。

GERDAは2020年12月にPhysical Review Letters誌に最終結果を報告した。実験は設定された目標をすべて達成したが、0νββイベントは検出されなかった。^[1]

GERDAの経験から、さらなるバックグラウンド低減が可能になり、より大きな線源強度、すなわち曝露量によるバックグラウンドフリー実験が可能になると期待されました。GERDAの研究を継続するLEGEND共同研究は、0νββ崩壊の半減期に対する感度を まで高めることを目指していました。第一段階では、わずかに改造したGERDAのインフラストラクチャに200 kgの濃縮ゲルマニウム検出器を配置し、2021年にデータ収集を開始する予定でした。^[1]${\displaystyle 10^{28}yr}$

実験では、ベータ崩壊源および粒子検出器として高純度濃縮Ge結晶ダイオード（HPGe ）を使用しました。HdM（ハイデルベルク-モスクワ^[2]）およびIGEX ^[2]実験の検出器が再処理され、フェーズ1で使用されました。検出器アレイは、銅で裏打ちされ、超純水タンクに囲まれた液体アルゴンクライオスタットに吊り下げられました。水タンク内のPMTと上部のプラスチックシンチレータがバックグラウンドミューオンを検出して除外しました。パルス形状識別（PSD）は、粒子タイプを識別するためのカットとして適用されました。

GERDAはゲルマニウムを使った他の0νββ実験の足跡をたどった。すでに50年以上前（1970年頃）、ミラノのグループが0.1kgのゲルマニウム検出器を使って、ゲルマニウム検出器を使った最初の0νββ崩壊探索を行った。それ以来、感度は100万倍に増加した。^[1]

フェーズ 2 では、30 台の新しい広エネルギーゲルマニウム (BEGe) 検出器を使用して、アクティブ質量を 38 kg に増加しました。よりクリーンな材料を使用して、バックグラウンドの規模を 10 ⁻³カウント/(keV·kg·yr) に削減することが計画されました。これにより、100 kg·yr のデータが取得されると半減期の感度が 10 ²⁶年に増加し、トン規模の拡張の可能性を評価できるようになりました。

フェーズ I では、2011 年 11 月から 2013 年 5 月まで、21.6 kg/年の照射量でデータを収集しました。ニュートリノなしの崩壊は観測されず、0νββ 90% CL 半減期の限界は となりました。この限界は以前の結果と組み合わせると 3·10 ²⁵年まで増加し、ハイデルベルク-モスクワ検出の主張に反することになります。有効ニュートリノ質量の上限も報告されています: m _ν < 400 meV。 ${\displaystyle T_{0\nu \beta \beta }>2.1\cdot 10^{25}yr}$

二重ベータ崩壊（ニュートリノ 2 個）の半減期も測定されました: T _2νββ = 1.84·10 ²¹年。

フェーズ II では、濃縮 Ge 検出器が追加され、バックグラウンドが低減され、感度が約 1 桁向上しました。

フェーズII（7ストリング、35.8kgの濃縮検出器）は2015年12月に開始されました。^{[3] : 10}

フェーズ II の予備結果は Nature に掲載されました。^[4] BEGe 検出器のバックグラウンド指数は 0.7·10 ⁻³カウント/(keV·kg·yr) で、これは 100 kg·yr の照射後の信号領域で 1 カウント未満に相当します。この場合もニュートリノなしの崩壊は観測されず、半減期の現在の限界は T _1/2  >  5.3·10 ²⁵ yr (90% CL) となります。

2018年現在、フェーズIIのデータ収集は継続されています。

2020年12月、GERDAの最終結果が報告された。0νββは検出されず、実験ではGe-76の0νββ半減期の下限値が報告された。報告された最終的な下限値は、実験の感度の予想値と一致し、これまでに測定された0νββ同位体の崩壊の中で最も厳しい値であった。また、GERDAのバックグラウンドイベント率は、この分野では最先端レベルであった。最終段階では、GERDAは総質量44.2 kgのゲルマニウム検出器41台を配備し、ゲルマニウム76の濃縮率が非常に高かった。^[1]${\displaystyle T_{0\nu \beta \beta }>1.8\cdot 10^{26}yr}$

• GERDA共同研究、Agostini M.; et al. (2013 年 9 月 19 日)。「GERDA 実験フェーズ I における 76Ge のニュートリノなし二重β崩壊の結果」( PDF ) 。Physical Review Letters。111 ( 12): 122503。arXiv : 1307.4720。Bibcode : 2013PhRvL.111l2503A。doi :10.1103/PhysRevLett.111.122503。PMID 24093254  。
• GERDAコラボレーション、Agostini M.; et al. (2013年2月12日)。「GERDA実験による76 Geの2ニュートリノ二重ベータ崩壊の半減期の測定」。Journal ^of Physics G。40 ( 3 ): 035110。arXiv : 1212.3210。Bibcode : 2013JPhG...40c5110T。doi : 10.1088/0954-3899/40/3/035110。S2CID 119118050  。
• GERDAコラボレーション、Ackermann K.-H.; et al. (2013年3月)。「76Geの0νββ崩壊の探索のためのGERDA実験」。European Physical Journal C . 73 (3): 2330. arXiv : 1212.4067 . Bibcode :2013EPJC...73.2330A. doi : 10.1140/epjc/s10052-013-2330-0 .
• GERDA コラボレーション、Agostini M.ら。 (2017 年 4 月 5 日)。 「GERDA を使用した⁷⁶ Geのニュートリノレス二重β崩壊のバックグラウンドフリー探索」。自然。544 (7648): 47–52。arXiv : 1703.00570。Bibcode :2017Natur.544...47A。土井：10.1038/nature21717. PMID  28382980。S2CID 4456764  。

• GERDAコラボレーション
• INSPIRE-HEPにおける GERDA 実験記録