Ricerca di nuova fisica nei dati di decadimento doppio-beta a due neutrini dall'esperimento GERDA

the beginning of the last century. A discovery would decisively prove the inadequacy of current fundamental physics theories, in favour of more general formulations. According to some of these novel theories, it might even contribute to solve the mystery of the asymmetry between matter and anti-matter in our universe. For more than fifty years, neutrinoless double-beta decay has been unsuccessfully searched for in the isotope of germanium with 76 nucleons. The GERDA experiment, officially concluded in November 2019, has been a pioneer of the field. It demonstrated the maturity of the germanium experimental technology to realize a tonne-scale experiment, capable of setting limits on the order of 10²⁷ yr on the decay half-life. This thesis project aims to attest the excellent Gerda results in terms of background event level, developing a statistical model of the latter. In particular, a Monte Carlo simulation of the liquid argon veto cut, based on the scintillation light emitted at the passage of ionizing particles, will be presented for the first time. The results of this model will be employed in the study of the two-neutrino double-beta decay energy distribution, to measure the process half-life and to search for new-physics signals, originating from a hypothetical Majoron emission. The estimated two-neutrino double-beta decay half-life is (2.050 ± 0.013 (stat) ± 0.044 (sys)) ⋅ 10²¹ yr, while a lower limit at 90% C.L. on the neutrinoless double-beta decay with Majoron emission (spectral index n = 1) is set at 7.5 ⋅ 10²³ yr. These results substantially improve previous estimates with ⁷⁶Ge in terms of precision and sensitivity.

La ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini viene spesso indicata come l’unica maniera pratica per stabilire la natura della massa del neutrino, una delle particelle elementari più sfuggenti e intriganti del Modello Standard. La rilevazione di questo raro decadimento nucleare attribuirebbe al neutrino delle caratteristiche descritte per la prima volta da Ettore Majorana all’inizio del secolo scorso, mettendo in chiara luce l’inadeguatezza delle attuali teorie sulla fisica fondamentale. Secondo alcune teorie, potrebbe anche contribuire a risolvere il mistero dell’asimmetria tra materia e anti-materia nel nostro universo. Da oltre cinquant’anni, il decadimento doppio-beta senza neutrini viene ricercato, senza successo, nell’isotopo del germanio formato da 76 nucleoni. L’esperimento GERDA, conclusosi a novembre del 2019, è stato un pioniere del campo, avendo dimostrato la maturità di questa tecnica sperimentale per la realizzazione di un esperimento su larga scala, in grado di arrivare a mettere limiti dell’ordine di 10²⁷ anni sulla vita media del decadimento. Questo lavoro di tesi vuole mettere in luce gli eccellenti risultati raggiunti in termini di livello di eventi di fondo, elaborando un modello statistico di questi ultimi. In particolare, verrà presentata per la prima volta una simulazione Monte Carlo del taglio dell’argon liquido, basato sulla luce di scintillazione in esso prodotta al passaggio di radiazione ionizzante. I risultati di questo modello verranno impiegati nello studio della distribuzione in energia del decadimento doppio beta a due neutrini, allo scopo di misurarne la vita media e ricercare segnali di nuova fisica provenienti da una eventuale emissione di Majoroni. La stima della vita media del decadimento doppio beta a due neutrini estratta è di (2.050 ± 0.013 (stat) ± 0.044 (sys)) ⋅ 10²¹ anni, mentre il limite inferiore sulla vita media del decadimento doppio-beta senza neutrini ma con emissione di un Majorone (indice spettrale n = 1) ottenuto al 90% C.L. è di 7.5 ⋅ 10²³ anni. I risultati superano notevolmente in precisione stime precedenti con ⁷⁶Ge.