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利用 GERDA 进行无背景搜索 Ge 的中微子双β衰变。

Background-free search for neutrinoless double-β decay of Ge with GERDA.

出版信息

Nature. 2017 Apr 5;544(7648):47-52. doi: 10.1038/nature21717.

DOI:10.1038/nature21717
PMID:28382980
Abstract

Many extensions of the Standard Model of particle physics explain the dominance of matter over antimatter in our Universe by neutrinos being their own antiparticles. This would imply the existence of neutrinoless double-β decay, which is an extremely rare lepton-number-violating radioactive decay process whose detection requires the utmost background suppression. Among the programmes that aim to detect this decay, the GERDA Collaboration is searching for neutrinoless double-β decay of Ge by operating bare detectors, made of germanium with an enriched Ge fraction, in liquid argon. After having completed Phase I of data taking, we have recently launched Phase II. Here we report that in GERDA Phase II we have achieved a background level of approximately 10 counts keV kg yr. This implies that the experiment is background-free, even when increasing the exposure up to design level. This is achieved by use of an active veto system, superior germanium detector energy resolution and improved background recognition of our new detectors. No signal of neutrinoless double-β decay was found when Phase I and Phase II data were combined, and we deduce a lower-limit half-life of 5.3 × 10 years at the 90 per cent confidence level. Our half-life sensitivity of 4.0 × 10 years is competitive with the best experiments that use a substantially larger isotope mass. The potential of an essentially background-free search for neutrinoless double-β decay will facilitate a larger germanium experiment with sensitivity levels that will bring us closer to clarifying whether neutrinos are their own antiparticles.

摘要

许多粒子物理学标准模型的扩展解释了我们宇宙中物质相对于反物质的主导地位,这是通过中微子是它们自己的反粒子来实现的。这将意味着存在无中微子双β衰变,这是一种极其罕见的轻子数破坏放射性衰变过程,其探测需要最大限度的背景抑制。在旨在探测这种衰变的计划中,GERDA 合作组织正在通过操作裸露探测器来寻找锗的无中微子双β衰变,这些探测器由富含锗的锗制成,置于液态氩中。在完成第一阶段的数据采集后,我们最近已经启动了第二阶段。在这里,我们报告在 GERDA 第二阶段,我们已经达到了大约 10 个计数 keV kg yr 的背景水平。这意味着即使将实验暴露度增加到设计水平,实验也是无背景的。这是通过使用主动排斥系统、优越的锗探测器能量分辨率和我们新探测器对背景的改进识别来实现的。当结合第一阶段和第二阶段的数据时,没有发现无中微子双β衰变的信号,我们推断出在 90%置信水平下的下限半衰期为 5.3×10 年。我们的半衰期灵敏度为 4.0×10 年,与使用大量同位素质量的最佳实验相当。无背景搜索无中微子双β衰变的潜力将促进具有更高灵敏度的更大的锗实验,使我们更接近澄清中微子是否是它们自己的反粒子。

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