Design, Simulation und Aufbau des GERDA-Myonvetos

Abstract

Das GERmanium Detector Array (GERDA) ist ein Experiment, welches nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall des 76Ge sucht. Dieser sehr seltene Prozess der schwachen Wechselwirkung wird vorhergesagt, wenn das Neutrino eine Masse hat und ein Majorana Teilchen ist; es wäre damit sein eigenes Antiteilchen. Obwohl der doppelte Betazerfall mit Emission zweier Neutrinos bei mehreren Kernen beobachtet wurde, gibt es derzeit nur einen Teil der Heidelberg-Moskau Kollaboration, der behauptet, den neutrinolosen doppelten Betazerfall beobachtet zu haben. Die beste Grenze für die Halbwertszeit ist zur Zeit T_{1/2} > 1,2·10^{25} Jahre [KK04]. Gerda wird in Phase I etwa 15 kg·Jahre an Daten mit Detektoren aus angereichertem Germanium der Heidelberg-Moskau und IGEX Experimente verwenden. Diese Phase wird es ermöglichen, diese Grenze auf Grund eines um einen Faktor 10 reduzierten Untergrundes innerhalb eines Jahres zu überprüfen. In der Phase II werden etwa 100 kg·Jahre an Daten angesammelt, was zu einer Grenze von T_{1/2} > 2·10^{26} Jahre führen wird, da der Untergrund nochmals um einen Faktor 10 gesenkt wird. Um auf solche Halbwertszeiten sensitiv zu sein, muss man entsprechend seltene Zerfälle beobachten. Hierfür ist die Unterdrückung der Untergrundrate auf letzten Endes 10^{-3} Ereignissen/(keV·kg·Jahre) von enormer Wichtigkeit. Deshalb werden verschiedene Techniken, wie z.B. Pulsformanalyse oder ein Myonveto eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Entwicklung des Cherenkov-Myonveto-Detektors vorgestellt. Hierfür werden erste Designstudien diskutiert. Diese beinhalten ausführliche Monte-Carlo-Simulationen. Diese Simulationen wurden ebenfalls verwendet, um die Triggerbedingungen der Datenerfassungdahingehend zu optimieren, möglichst alle Myonen, die in den Germanium-detektoren Energie deponieren, detektiert werden. Schließlich wird noch der Aufbau vor Ort am Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien vorgestellt.

The GERmanium Detector Array (GERDA) is a experiment searching for the neutrinoless double beta decay of 76Ge. This very rare weakly interacting process is predicted to occur if the neutrino exhibits a mass and is a Majorana particle; i.e. it is its own antiparticle. Although the double beta decay with emission of two neutrinos has been found in several nuclei, there is at this moment only a part of the Heidelberg-Moscow Collaboration claiming to have observed the neutrinoless double beta decay. The best limit for the half life currently is T_{1/2} > 1,2·10^{25} y [KK04]. Gerda will expose about 15 kg·y of enriched germanium detectors from the Heidelberg-Moscow and IGEX crystals in phase I. In this phase, it will be able to test the claim within one year, due to reduced background by a factor 10. In phase II about 100 kg·y of data will be accumulated, leading to T_{1/2} > 2·10^{26} y due to an additional reduction of the background by a factor of 10. For a high sensitivity at these half lifes, it is necessary to detect the corresponding rare events. Therefore background reduction to a rate of 10^{-3} counts/(keV·kg·year) is of utmost importance. Therefore different background identification methods, like pulseshape analysis or a muon veto will be used. In this work, the development of the Cherenkov muon veto detectors is presented. First design studies will be shown, including extensive Monte-Carlo simulations. These simulations were also used to optimize the trigger conditions of the data acquisition, to detect all muons, that cause an energy deposition in the germanium detectors. Finally the on site construction at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy will be described.