Confined event samples using Compton coincidence measurements for signal and background studies in the GERDA experiment

In rare event searches, such as the search for Neutrinoless Double-Beta Decay (0nbb), the experimental sensitivity critically depends on the remaining background after all data cuts in the region of interest, where signal events are expected. Background reduction is essential to obtain the necessary experimental sensitivity. The GERDA experiment is searching for 0nbb decay in 76Ge. Recently, 30 newly produced germanium detectors of Broad Energy Germanium (BEGe) type have been implemented in GERDA. Analyzing the shape of detector pulses, background can be distinguished from signal events and discarded. The major advantage of the new BEGe detectors are their excellent properties for this kind of analysis. The main focus of this thesis is the preparation of pure 0nbb-like event samples from confined interaction regions in a BEGe in order to study the response of the detector with respect to the interaction position. This is useful to validate and improve pulse shape simulations of germanium detectors and can help creating new algorithms which effectively reduce the background in GERDA. An experimental setup was assembled and used to collect events due to single Compton interactions of photons with a BEGe detector. Because of their localized energy deposition single Compton events can be used as prototypes for 0nbb event pulse shapes. The assembly is capable of a full three-dimensional scan of the BEGe detector. An extensive characterization of all detectors used was realized to assure stable conditions of the experimental setup. Furthermore, detailed fine grain surface scans were performed which can give valuable input for simulation. A comprehensive Monte Carlo (MC) description of the assembly was implemented in a Geant4 based framework. The simulations provided means to conduct detailed studies of the spatial and energy distribution of single and multiple Compton events. Based on these studies the selection of pure samples of single Compton events from localized regions in the BEGe was optimized. In a data taking campaign event samples were collected for different experimental configurations. Differences in the pulse shape are observed when changing the scanned detector location or the High Voltage on the BEGe. In particular it was found that the first part of the average pulse is most sensitive. Another aspect of rare event searches is the detailed analysis and decomposition of background events. A major background component in GERDA Phase I is introduced by the isotope 42Ar. In this work, the specific activity of 42Ar in the GERDA liquid Argon (LAr) was analyzed using a Bayesian approach. The detection efficiencies were calculated by means of MC simulations of part of the GERDA experimental setup. This permitted to study systematic effects introduced by inhomogeneities of the distribution of the studied background component in the LAr. The final value of the specific activity was obtained with a binned maximum likelihood fit of two fit models. Correcting the result for the time the LAr was kept under ground the specific activity can be compared to other experimental results, and furthermore, to theoretical calculations regarding production mechanisms of 42Ar in the atmosphere. A corrected specific activity of A (42Ar) = 101.0 (+2.5)(-3.0) (stat) +- 7.4 (syst) uBq/kg was found in this analysis; it is compatible with a theoretical calculation based on a major production mechanisms of 42Ar in the atmosphere. However, it results incompatible with the upper limit, 43 uBq/kg at 90% CL, reported in a previous measurement.

Nelle ricerche di eventi rari, come, per esempio, il decadimento doppio beta senza neutrini (0nbb), la sensibilità sperimentale dipende dal numero di eventi di fondo che rimangono nella regione di interesse dopo tutti i tagli di analisi. Per raggiungere una elevata sensibilità sperimentale è pertanto essenziale ridurre gli eventi di fondo. L'esperimento Gerda sta cercando il decadimento 0nbb mediante l’impiego dell’isotopo 76Ge. Recentemente l’esperimento si è dotato di 30 nuovi rivelatori al germanio del tipo BEGe. Il maggiore vantaggio di tali rivelatori è di permettere una efficace separazione degli eventi di segnale da quelli di fondo mediante lo studio della forma del segnale elettrico. Lo scopo primario di questa tesi è la ricerca di un metodo di raccolta di eventi che possano simulare quelli del decadimento 0nbb. Si vuole inoltre che tali eventi siano distribuiti su tutto il volume del rivelatore. Questo risulta molto utile per creare algoritmi che permettano di ridurre gli eventi di fondo in Gerda. Inoltre, lo studio della risposta del rivelatore a seconda del punto di interazione del fotone incidente permette di controllare e migliorare la descrizione della forma d’impulso ottenuta dalle simulazioni. È stato allestito un apparato sperimentale che permette di selezionare eventi caratterizzati da una singola interazione Compton provenienti da regioni ben definite del rivelatore sotto esame (nel nostro caso un rivelatore di tipo BEGe). Gli eventi provenienti da una singola interazione Compton giacché rilasciano l’energia in una regione ben circoscritta del rivelatore simulano gli eventi doppio beta. L’apparato ha la capacità di analizzare l’intero volume del BEGe nelle sue tre dimensioni. Come passo propedeutico è stato eseguito uno studio delle caratteristiche fondamentali dei rivelatori usati. Questo è servito per assicurare un funzionamento stabile e affidabile all’apparato sperimentale. Lo studio ha comportato anche l’esecuzione di dettagliate scansioni superficiali dei rivelatori utili queste come informazioni in ingresso ai programmi di simulazione. Le simulazioni hanno permesso un’analisi della distribuzione spaziale ed energetica degli eventi caratterizzati da una singola interazione Compton come di quelli da molteplici interazioni Compton. Basandosi su tale studio e’ stata ottimizzata la selezione degli eventi provenienti da un solo scattering Compton e da una posizione nota del rivelatore. Durante la campagna di raccolta dati sono stati acquisiti dei campioni di dati sotto diverse configurazioni dell’apparato sperimentale. Sono stati osservati delle differenze nella forma degli impulsi cambiando sia la posizione da cui proviene l’interazione che il valore di alta tensione applicata sul BEGe. In particolare, si è notato che la regione più sensibile è la parte iniziale dell’impulso. Per poter rigettare gli eventi di fondo è importante anche conoscerli e classificarli. L’analisi dei dati di Gerda nella sua prima fase sperimentale ha mostrato che una delle componenti principali degli eventi di fondo è dovuta all’isotopo 42Ar presente nel LAr. L’attività dell’42Ar è stata studiata con un approccio bayesiano usando dati di Gerda fase I. Il risultato finale è stato ottenuto tramite un ottimizzazione di una “binned likelihood”. Una cura particolare è stata rivolta all’analisi di possibili effetti sistematici dovuti ad una possibile distribuzione spaziale non omogenea dell’42Ar nel criostato di Gerda. Il risultato finale dell’attività specifica dell'42Ar è A (42Ar) = 101.0 (+2.5)(-3.0)(stat) +- 7.4(syst) uBq/kg. Tale valore risulta compatibile con una stima derivata da un particolare modello di produzione di tale isotopo raro nell’atmosfera. Risulta invece incompatibile con il limite superiore, 43 uBq/kg al 90% CL, riportato in una precedente misura sperimentale.