Detailed active volume determination of HPGe detectors and its impact on the measurement of the half-life of 2νββ decay of 76Ge in the Gerda and LEGEND-200 experiments

An open question still involves the nature of neutrinos: are they their own anti-matter counterpart? The most promising way to test this Majorana nature of neutrinos is by searching for the neutrinoless double beta decay, a hypothetical nuclear process that violates the total lepton number. Among the double beta decay experiments, the Gerda experiment stands out for its ultra-low background and excellent energy resolution. Concluded in November 2019, it demonstrated the outstanding potential of germanium detectors to prepare the next-generation experiment – the tonne-scale LEGEND experiment – able to probe the half-life of the decay up to and beyond 10^28 yr. The main focus of this dissertation is the determination of the active volume of germanium detectors in Gerda and LEGEND experiments, studying its effects on the measurement of the half-life of the double-beta decay. Gamma spectroscopy setups at the HADES underground laboratory in Belgium are used to characterize the new ICPC detectors. A versatile software framework is developed to automatically determine the active volume with high precision by comparing the data with Monte Carlo simulations, reproducing the overall setup. The Gerda official values for BEGe detectors are affected by the systematic of the unknown growth of the full charge collection depth at room temperature. A re-characterization of nine BEGes has been performed to obtain more reliable estimations. The data collected by Gerda Phase II+ offers a unique opportunity to estimate the active volume in-situ. A statistical analysis of the spectrum of low energy events, where the 39Ar decay is the main contribution, has been performed by using Monte Carlo simulations to extract the size of the dead layer and the transition region for each of the active detectors. A new estimation T_{1/2}^2ν = ( 2.022 ± 0.041 ) · 10^21 yr is of the half-life of the double beta decay extracted using the accurate active volume determination resented in this work.

Una delle domande ancora senza risposta sui neutrini riguarda la loro natura: sono uguali alle loro corrispettive antiparticelle? Il modo più promettente per scoprire questa natura di Majorana dei neutrini è la ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini, un processo nucleare ipotetico che viola il numero leptonico totale. Tra i vari esperimenti dedicati al doppio decadimento beta, l’esperimento Gerda si distingue per il background ultra-basso e l’eccellente risoluzione energetica. Conclusosi nel novembre del 2019, esso ha dimostrato l’incredibile potenziale dei rivelatori al germanio. La stessa tecnologia sarà alla base del nuovo progetto LEGEND che ha come obiettivo il miglioramento di un fattore 100 il limite sul tempo di dimezzamento del decadimento doppio beta senza neutrini del 76Ge (T_1/2^0ν > 10^28 anni). L’obiettivo principale di questo lavoro di tesi è la determinazione del volume attivo nei rivelatori al germanio usati negli esperimenti di Gerda e LEGEND, studiando i suoi effetti sulla misura della vita media del doppio decadimento beta. Per caratterizzare i nuovi rivelatori ICPC per l’esperimento LEGEND, sono state usate diverse installazioni di spettroscopia gamma allestite appositamente nel laboratorio sotterraneo HADES in Belgio. É stato sviluppato un software versatile per determinare automaticamente con alta precisione il volume attivo andando a confrontare i dati e le simulazioni Monte Carlo, che riproducono l’intera configurazione. I valori ufficiali di Gerda per i rivelatori BEGe sono affetti da sistematiche sulla crescita sconosciuta della full charge collection depth a temperatura ambiente. Per ottenere delle stime più affidabili, nove rivelatori BEGe sono stati caratterizzati di nuovo. I dati raccolti da Gerda in Fase II+ offrono una opportunità unica per stimare in-situ il volume attivo. É stata eseguita un’analisi statistica dello spettro degli eventi a bassa energia, dove il maggior contributo è dato dal decadimento del 39Ar, utilizzando simulazioni Monte Carlo per estrarre le dimensioni dello strato morto e della regione di transizione per ciascun rivelatore attivo. La nuova stima della vita media del doppio decadimento beta di ( 2.022 ± 0.041 ) · 10^21 anni è stata estratta dalle determinazioni accurate di volume attivo presentate in questa tesi. Questo risultato sperimentale è la stima più precisa e affidabile della vita media del doppio decadimento beta mai riportata con il 76Ge.