El experimento Germanium Detector Array (o GERDA ) buscaba la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) en Ge-76 en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), un laboratorio subterráneo. Se espera que la desintegración beta sin neutrinos sea un proceso muy raro si ocurre. La colaboración predijo menos de un evento cada año por kilogramo de material, que aparece como un pico estrecho alrededor del valor Q 0νββ (Q ββ = 2039 keV) en el espectro de energía observado. Esto significaba que se necesitaba un blindaje de fondo para detectar cualquier desintegración rara. La instalación del LNGS tiene 1400 metros de sobrecarga de roca , equivalente a 3000 metros de blindaje de agua, lo que reduce el fondo de radiación cósmica . El experimento GERDA se operó desde 2011 en adelante en el LNGS. [1]
Después de completar el experimento GERDA, la colaboración GERDA se fusionó con la colaboración MAJORANA para construir un nuevo experimento LEGEND.
GERDA publicó sus resultados finales en diciembre de 2020 en Physical Review Letters . El experimento alcanzó todos los objetivos que se había propuesto, pero no se detectó ningún evento 0νββ. [1]
La experiencia de GERDA hizo que se esperara que se pudiera lograr una mayor reducción del fondo, de modo que fuera posible un experimento sin fondo con una intensidad de fuente o exposición aún mayor. La colaboración LEGEND, que continúa el trabajo de GERDA, tenía como objetivo aumentar la sensibilidad a la vida media de desintegración de 0νββ hasta . En una primera fase, se planeó desplegar una masa de 200 kg de detectores de germanio enriquecido en la infraestructura ligeramente modificada de GERDA, y el inicio de la toma de datos está previsto para 2021. [1]
El experimento utilizó diodos de cristal de Ge enriquecido de alta pureza ( HPGe ) como fuente de desintegración beta y detector de partículas . Los detectores de los experimentos HdM ( Heidelberg-Moscú [2] ) e IGEX [2] se reprocesaron y se utilizaron en la fase 1. La matriz de detectores se suspendió en un criostato de argón líquido revestido de cobre y rodeado por un tanque de agua ultrapura. Los PMT en el tanque de agua y los centelleadores de plástico de arriba detectaron y excluyeron muones de fondo . La discriminación de forma de pulso (PSD) se aplicó como un corte para discriminar entre tipos de partículas.
GERDA siguió los pasos de otros experimentos de 0νββ con germanio; hace ya más de 50 años (es decir, alrededor de 1970), un grupo de Milán utilizó un detector de germanio de 0,1 kg en la primera búsqueda de desintegración de 0νββ con un detector de germanio. Desde entonces, la sensibilidad se ha incrementado en un factor de un millón. [1]
La fase 2 aumentó la masa activa a 38 kg utilizando 30 nuevos detectores de germanio de energía amplia (BEGe). Se planeó una reducción de magnitud en el fondo a 10 −3 cuentas/(keV·kg·año) utilizando materiales más limpios. Esto aumentó la sensibilidad de la vida media a 10 26 años una vez que se tomaron 100 kg·año de datos y permitió la evaluación de una posible expansión a escala de toneladas.
La fase I recopiló datos desde noviembre de 2011 hasta mayo de 2013, con una exposición de 21,6 kg·año. No se observaron desintegraciones sin neutrinos, lo que arrojó un límite de vida media de 0νββ 90% CL de . Este límite podría combinarse con resultados anteriores, aumentándolo a 3·10 25 años, lo que desfavorece la afirmación de detección de Heidelberg-Moscú. También se informó un límite en la masa efectiva del neutrino: m ν < 400 meV.
También se midió la vida media de la desintegración doble beta (con dos neutrinos): T 2νββ = 1,84·10 21 años.
La fase II contó con detectores de Ge enriquecidos adicionales y un fondo reducido, lo que aumentó la sensibilidad en aproximadamente un orden de magnitud.
La fase II (7 cadenas, 35,8 kg de detectores enriquecidos) se inició en diciembre de 2015. [3] : 10
Los resultados preliminares de la Fase II se han publicado en Nature. [4] El índice de fondo para los detectores BEGe fue de 0,7·10 −3 cuentas/(keV·kg·año), lo que se tradujo en menos de una cuenta en la región de la señal después de una exposición de 100 kg·año. Nuevamente no se observaron desintegraciones sin neutrinos, lo que lleva el límite actual de la vida media a T 1/2 > 5,3·10 25 años (90% CL).
A partir de 2018 continuó la toma de datos de la Fase II.
En diciembre de 2020, se informaron los resultados finales de GERDA. No se detectó 0νββ y el experimento informó un límite inferior para la vida media de 0νββ en Ge-76 de . El límite inferior final informado coincidió con el valor esperado para la sensibilidad del experimento y fue el valor más estricto para la desintegración de cualquier isótopo 0νββ medido hasta ahora. Además, la tasa de eventos de fondo de GERDA fue de nivel de vanguardia en el campo. En su fase final, GERDA implementó 41 detectores de germanio con una masa total de 44,2 kg, con un porcentaje de enriquecimiento de germanio-76 muy alto. [1]
