Study of Lepton Number Conserving and Non-Conserving Processes Using GERDA Phase I Data

The GERmanium Detector Array (GERDA) experiment, located underground at the INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy, uses high-purity germanium detectors to search for neutrinoless double beta decay (0νββ) of Ge-76. The first phase of the experiment lasted from November 2011 to May 2013 and collected data with a total exposure of 21.6 kg · yr. In this thesis, a thorough analysis of these data was performed. A background model was developed to decompose the observed energy spectrum in its individual contributions. The region around the Q-value of 0νββ, Qββ , at 2039 keV was studied in great detail. As main contributions to the background in this region, alpha and beta decays of the U-238 chain, beta decays of the Th-232 chain, and beta decays of K-42 were identified. It was shown that the background around Qββ can be approximated with a flat distribution. Neutrino accompanied double beta decay (2νββ) is a lepton number conserving process allowed by the Standard Model. Due to the low background in the experiment, in the region dominated by 2νββ a signal-to-background ratio of 3 : 1 could be reached. This allowed to measure the half-life of the decay with a precision unprecedented by previous experiments, T1/2^2ν = (1.96 ± 0.13) · 10^21 yr. Several beyond-Standard Model theories predict neutrinoless double beta decay with majoron emission (0νββχ(χ)). Depending on the theory, this process can be lepton number violating or lepton number conserving. A search in the GERDA Phase I data gave no indication of contributions to the observed energy spectra for any of the majoron models. The lower limit on the half-life for the ordinary majoron model (spectral index n = 1) was determined to be T1/2^0νχ > 4.15 · 10^23 yr (90 % quantile). This limit and the limits derived for the other majoron modes constitute the most stringent limits on 0νββχ(χ) of Ge-76 measured to date. The primary scope of the GERDA experiment was the search for 0νββ of Ge-76. This lepton number violating decay is expected by extensions of the Standard Model. The observation of 0νββ would be the proof that the neutrino has a non-vanishing Majorona mass component. The analysis of the GERDA Phase I data did not reveal any hint for the presence of a signal from 0νββ. A lower limit on the half-life was derived, T1/2^0ν > 1.83 · 10^25 yr (90 % quantile).

L’esperimento GERmanium Detector Array (GERDA), situato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN, utilizza rivelatori al germanio ultra-puro per la ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini (0νββ). Tali rivelatori sono arricchiti nell’isotopo Ge-76. La prima fase dell’esperimento è durata da novembre 2011 a maggio 2013 ed ha raccolto dati con un’esposizione totale di 21.6 kg · yr. In questa tesi è stato sviluppato dapprima un modello dei fondi per scomporre lo spettro energetico osservato nei suoi singoli componenti. La regione intorno al Q-valore della reazione 0νββ, Qββ , a 2039 keV è stata studiata in modo dettagliato. I contributi principali al fondo in questa regione sono: i decadimenti alfa e beta della catena del U-238, i decadimenti beta della catena del Th-232 ed i decadimenti beta del K-42. È stato dimostrato inoltre che il fondo intorno a Qββ può essere descritto con una costante. Il doppio decadimento beta con emissione di due neutrini (2νββ) è un processo che conserva il numero leptonico ed è previsto dal Modello Standard. Nella regione dominata dagli eventi 2νββ è stato raggiunto un rapporto fra segnale e fondo di 3 : 1. Questo risultato ha permesso di misurare il tempo di dimezzamento del decadimento con una precisione ineguagliata dagli esperimenti precedenti, T1/2^2ν = (1.96 ± 0.13) · 10^21 yr. Alcuni modelli di fisica oltre il Modello Standard prevedono il doppio decadimento beta senza neutrini con emissione di uno o due majoroni (0νββχ(χ)). In base alla teoria, questo processo può violare o conservare il numero leptonico. Un’analisi dei dati della prima fase di GERDA non ha fornito alcun riscontro di contributi di uno di questi modelli agli spettri energetici osservati. Il limite inferiore sul tempo di dimezzamento per il modello ordinario del majorone (indice spettrale n = 1) è stato stimato pari a T1/2^0νχ > 4.15 · 10^23 yr (quantile del 90 %). Questo valore e quelli ricavati per altri modelli del majorone costituiscono i limiti più stringenti su 0νββχ(χ) nel Ge-76 misurati fino ad ora. Lo scopo primario dell’esperimento GERDA è la ricerca del 0νββ nel Ge-76. Questo processo, che viola il numero leptonico, è previsto dalle estensioni del Modello Standard e la sua osservazione dimostrerebbe che la massa del neutrino ha una componente di tipo Majorana. L’analisi dei dati della prima fase di GERDA non ha rivelato nessun cenno della presenza di un segnale di 0νββ. È stato così determinato un limite inferiore sul tempo di dimezzamento, T1/2^0ν > 1.83 · 10^25 yr (quantile del 90 %).