Conjunto de detectores de germanio

El experimento Germanium Detector Array (o GERDA ) buscaba la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) en Ge-76 en los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso (LNGS), ubicados en el subsuelo. Se espera que la desintegración beta sin neutrinos sea un proceso muy raro, si es que ocurre. La colaboración predijo menos de un evento por año por kilogramo de material, que aparecería como un pico estrecho alrededor del valor Q de 0νββ (Q _ββ = 2039 keV) en el espectro de energía observado. Esto significaba que se requería un blindaje de fondo para detectar cualquier desintegración rara. Las instalaciones del LNGS tienen 1400 metros de recubrimiento rocoso , equivalentes a 3000 metros de blindaje de agua, lo que reduce el fondo de radiación cósmica . El experimento GERDA operó en el LNGS a partir de 2011. ^{[ 1 ]}

Tras completar el experimento GERDA, la colaboración GERDA se fusionó con la colaboración MAJORANA para crear un nuevo experimento: LEGEND .

GERDA publicó sus resultados finales en diciembre de 2020 en Physical Review Letters . El experimento alcanzó todos los objetivos que se había propuesto, pero no se detectó ningún evento 0νββ. ^{[ 1 ]}

La experiencia de GERDA llevó a la expectativa de que se podía lograr una mayor reducción del fondo, de modo que fuera posible un experimento sin fondo con una fuerza de fuente aún mayor, o exposición. La colaboración LEGEND, continuando el trabajo de GERDA, tenía como objetivo aumentar la sensibilidad a la vida media de la desintegración 0νββ hasta${\displaystyle 10^{28} años}$. En una primera fase, se planeó desplegar una masa de 200  kg de detectores de germanio enriquecido en la infraestructura ligeramente modificada de GERDA, con el inicio de la toma de datos previsto para 2021. ^{[ 1 ]}

El experimento empleó diodos de cristal de germanio enriquecido de alta pureza ( HPGe ) como fuente de desintegración beta y detector de partículas . Los detectores de los experimentos HdM ( Heidelberg-Moscú ^{[ 2 ]} ) e IGEX ^{[ 2 ]} fueron reprocesados ​​y utilizados en la fase 1. El conjunto de detectores se suspendió en un criostato de argón líquido revestido de cobre y rodeado por un tanque de agua ultrapura. Los tubos fotomultiplicadores ( PMT) en el tanque de agua y los centelleadores plásticos superiores detectaron y excluyeron los muones de fondo . Se aplicó discriminación de forma de pulso (PSD) como filtro para diferenciar los tipos de partículas.

GERDA siguió los pasos de otros experimentos de 0νββ que utilizaban germanio; hace ya más de 50 años (alrededor de 1970),  un grupo de Milán utilizó un detector de germanio de 0,1 kg en la primera búsqueda de la desintegración 0νββ con un detector de germanio. Desde entonces, la sensibilidad se había incrementado en un factor de un millón. ^{[ 1 ]}

La fase 2 aumentó la masa activa a 38  kg mediante 30 nuevos detectores de germanio de amplio espectro (BEGe). Se planificó una reducción de la magnitud del ruido de fondo a 10⁻³ ^cuentas /(keV·kg·año) utilizando materiales más limpios. Esto incrementó la sensibilidad de la vida media a 10²⁶ ^años una vez que  se obtuvieron 100 kg·año de datos y permitió evaluar una posible expansión a escala de toneladas.

La Fase I recopiló datos de noviembre de 2011 a mayo de 2013, con una exposición de 21,6  kg·año. No se observaron desintegraciones sin neutrinos, lo que dio como resultado un límite de vida media de 0νββ 90% CL de${\displaystyle T_{0\nu \beta \beta }>2.1\cdot 10^{25}yr}$Este límite podría combinarse con resultados anteriores, elevándolo a 3·10²⁵ ^años , lo que desfavorece la afirmación de detección de Heidelberg-Moscú. También se informó de un límite para la masa efectiva del neutrino: m _ν < 400 meV.

También se midió la vida media de la desintegración beta doble (con dos neutrinos): T _2νββ = 1,84·10 ²¹ años.

La fase II contó con detectores de germanio enriquecido adicionales y una reducción del ruido de fondo, lo que aumentó la sensibilidad en aproximadamente un orden de magnitud.

La fase II (7 cadenas, 35,8  kg de detectores enriquecidos) se inició en diciembre de 2015. ^{[ 3 ] : 10}

Los resultados preliminares de la Fase II se han publicado en Nature. ^{[ 4 ]} El índice de fondo para los detectores BEGe fue de 0,7·10 ⁻³ cuentas/(keV·kg·año), lo que se tradujo en menos de una cuenta en la región de señal después de una exposición de 100  kg·año. Nuevamente no se observaron desintegraciones sin neutrinos, lo que sitúa el límite actual de la vida media en T _1/2  >  5,3·10 ²⁵ años (90% CL).

En 2018, la recopilación de datos de la Fase II continuó.

En diciembre de 2020, se informaron los resultados finales de GERDA. No se detectó 0νββ y el experimento informó el límite inferior para la vida media de 0νββ en Ge-76 de${\displaystyle T_{0\nu \beta \beta }>1.8\cdot 10^{26}yr}$El límite inferior final reportado coincidió con el valor esperado para la sensibilidad del experimento, y fue el valor más estricto para la desintegración de cualquier isótopo 0νββ jamás medido. Además, la tasa de eventos de fondo de GERDA fue de vanguardia en el campo. En su fase final, GERDA desplegó 41 detectores de germanio con una masa total de 44,2  kg, con un porcentaje de enriquecimiento de germanio-76 muy alto. ^{[ 1 ]}

• Colaboración GERDA, Agostini M.; et  al. (19 de septiembre de 2013). "Resultados sobre la desintegración doble β sin neutrinos del ⁷⁶ Ge de la fase I del experimento GERDA" (PDF) . Physical Review Letters . 111 (12) 122503. arXiv : 1307.4720 . Bibcode : 2013PhRvL.111l2503A . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.122503 . PMID 24093254 . 
• Colaboración GERDA, Agostini M.; et  al. (12 de febrero de 2013). "Medición de la vida media de la desintegración beta doble de dos neutrinos del ⁷⁶ Ge con el experimento GERDA". Journal of Physics G . 40 (3) 035110. arXiv : 1212.3210 . Bibcode : 2013JPhG...40c5110T . doi : 10.1088/0954-3899/40/3/035110 . S2CID 119118050 . 
• GERDA collaboration, Ackermann K.-H.; et al. (March 2013). "The GERDA experiment for the search of 0νββ decay in ⁷⁶Ge". European Physical Journal C. 73 (3): 2330. arXiv:1212.4067. Bibcode:2013EPJC...73.2330A. doi:10.1140/epjc/s10052-013-2330-0.
• GERDA collaboration, Agostini M.; et al. (5 April 2017). "Background-free search for neutrinoless double-β decay of ⁷⁶Ge with GERDA". Nature. 544 (7648): 47–52. arXiv:1703.00570. Bibcode:2017Natur.544...47A. doi:10.1038/nature21717. PMID 28382980. S2CID 4456764.

• GERDA Collaboration
• GERDA experiment record on INSPIRE-HEP