Эксперимент Germanium Detector Array (или GERDA ) искал безнейтринный двойной бета-распад (0νββ) в Ge-76 в подземной Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Ожидается, что безнейтринный бета-распад будет очень редким процессом, если он произойдет. Сотрудничество предсказало менее одного события в год на килограмм материала, проявляющегося в виде узкого пика вокруг значения Q 0νββ (Q ββ = 2039 кэВ) в наблюдаемом энергетическом спектре. Это означало, что для обнаружения любых редких распадов требовалось фоновое экранирование . Объект LNGS имеет 1400 метров скальной породы , что эквивалентно 3000 метрам водной защиты, что снижает фон космического излучения . Эксперимент GERDA проводился с 2011 года в LNGS. [1]
После завершения эксперимента GERDA, коллаборация GERDA объединилась с коллаборацией MAJORANA для создания нового эксперимента LEGEND.
GERDA сообщила о своих окончательных результатах в декабре 2020 года в Physical Review Letters . Эксперимент достиг всех поставленных целей, но никаких событий 0νββ обнаружено не было. [1]
Опыт GERDA привел к ожиданию, что дальнейшее снижение фона было в пределах досягаемости, так что стал возможным эксперимент без фона с еще большей интенсивностью источника, соответственно экспозиции. Сотрудничество LEGEND, продолжающее работу GERDA, было направлено на повышение чувствительности к периоду полураспада 0νββ до . На первом этапе планировалось разместить массу 200 кг детекторов обогащенного германия в слегка модифицированной инфраструктуре GERDA с началом сбора данных, запланированным на 2021 год. [1]
В эксперименте использовались высокочистые обогащенные кристаллические диоды Ge ( HPGe ) в качестве источника бета-распада и детектора частиц . Детекторы из экспериментов HdM ( Гейдельберг-Москва [2] ) и IGEX [2] были переработаны и использованы в фазе 1. Детекторная матрица была подвешена в криостате с жидким аргоном , облицованном медью и окруженном баком со сверхчистой водой. ФЭУ в баке с водой и пластиковые сцинтилляторы выше обнаруживали и исключали фоновые мюоны . Дискриминация по форме импульса (PSD) применялась в качестве среза для различения типов частиц.
GERDA пошла по стопам других экспериментов 0νββ с использованием германия; уже более 50 лет назад (то есть около 1970 года) группа из Милана использовала германиевый детектор весом 0,1 кг в первом поиске распада 0νββ с помощью германиевого детектора. С тех пор чувствительность увеличилась в миллион раз. [1]
Фаза 2 увеличила активную массу до 38 кг с использованием 30 новых детекторов германия с широкой энергией (BEGe). Снижение величины фона было запланировано до 10−3 отсчетов /(кэВ·кг·год) с использованием более чистых материалов. Это увеличило чувствительность полураспада до 1026 лет после сбора данных в объеме 100 кг·год и позволило оценить возможное расширение в масштабе тонны.
Фаза I собирала данные с ноября 2011 по май 2013 года с экспозицией 21,6 кг·год. Распадов без нейтрино не наблюдалось, что дало предел периода полураспада 0νββ 90% CL . Этот предел можно было объединить с предыдущими результатами, увеличив его до 3·10 25 лет, что не в пользу заявления об обнаружении Гейдельберга-Москвы. Также сообщалось об ограничении эффективной массы нейтрино: m ν < 400 мэВ.
Также был измерен период полураспада двойного бета-распада (с двумя нейтрино): T 2νββ = 1,84·10 21 года.
На втором этапе использовались дополнительные детекторы на основе обогащенного Ge и сниженный фоновый уровень, что повысило чувствительность примерно на порядок.
Фаза II (7 строк, 35,8 кг обогащенных детекторов) была начата в декабре 2015 г. [3] : 10
Предварительные результаты Фазы II были опубликованы в Nature. [4] Фоновый индекс для детекторов BEGe составил 0,7·10−3 отсчетов /(кэВ·кг·год), что соответствует менее чем одному отсчету в области сигнала после воздействия 100 кг·год. Снова не наблюдалось никаких распадов без нейтрино, что доводит нынешний предел периода полураспада до T 1/2 > 5,3·10 25 лет (90% CL).
По состоянию на 2018 год сбор данных в рамках Фазы II продолжался.
В декабре 2020 года были опубликованы окончательные результаты GERDA. 0νββ не был обнаружен, и эксперимент сообщил о нижнем пределе для периода полураспада 0νββ в Ge-76, равном . Окончательный нижний предел, сообщенный в отчете, совпал с ожидаемым значением чувствительности эксперимента и был самым строгим значением для распада любого изотопа 0νββ, когда-либо измеренного. Кроме того, фоновая частота событий GERDA была на самом передовом уровне в этой области. На своем заключительном этапе GERDA развернула 41 германиевый детектор общей массой 44,2 кг с очень высоким процентом обогащения германия-76. [1]
