Neutron capture on _1hn7_1hn6Ge [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Georg Meierhofer

76Neutron capture on GeDissertationder Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨atder Eberhard Karls Universit¨at Tubingen¨zur Erlangung des Grades einesDoktors der Naturwissenschaften(Dr. rer. nat.)vorgelegt vonDipl. Ing. Georg Meierhoferaus SalzburgTubingen¨2010asfdTag der mundlic¨ hen Qualifikation: 25.01.2011Dekan: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel1. Berichterstatter: Prof. Dr. Peter Grabmayr2. Berich Prof. Dr. Josef JochumZusammenfassungFur¨ ExperimentezurSuchenachdemneutrinolosenDoppelbetazerfall(0νββ)istaufgrundder langen Halbwertszeiten ein sehr geringer, gut verstandener Untergrund unerl¨asslich.76Im GERDA-Experiment, das den 0νββ-Zerfall von Ge untersucht, wird ein relevan-ter Anteil des Untergrundes durch den Einfang von myoninduzierten Neutronen an den76 77GeKernenindenDetektorenerzeugt. Dadurchwerdenradioaktive GeKernegebildet,derenZerfallf¨alschlicherweiseals0νββ Signalinterpretiertwerdenkann. IstderZeitpunkt77des Einfangs bekannt, kann ein Veto initialisiert werden, das den folgenden Ge-Zerfallunterdruc¨ kt. Dies kann durch die Detektion der prompten γ-Strahlung geschehen, durchwelche die gewonnene Bindungsenergie abgestrahlt wird. Die prompte γ-Strahlung tr¨agt77ihrerseits auch zum Untergrund bei. Die prompte Kaskade in Ge war jedoch bisher76weitgehend unbekannt.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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76Neutron capture on Ge
Dissertation
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at
der Eberhard Karls Universit¨at Tubingen¨
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt von
Dipl. Ing. Georg Meierhofer
aus Salzburg
Tubingen¨
2010asfd
Tag der mundlic¨ hen Qualifikation: 25.01.2011
Dekan: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel
1. Berichterstatter: Prof. Dr. Peter Grabmayr
2. Berich Prof. Dr. Josef JochumZusammenfassung
Fur¨ ExperimentezurSuchenachdemneutrinolosenDoppelbetazerfall(0νββ)istaufgrund
der langen Halbwertszeiten ein sehr geringer, gut verstandener Untergrund unerl¨asslich.
76Im GERDA-Experiment, das den 0νββ-Zerfall von Ge untersucht, wird ein relevan-
ter Anteil des Untergrundes durch den Einfang von myoninduzierten Neutronen an den
76 77GeKernenindenDetektorenerzeugt. Dadurchwerdenradioaktive GeKernegebildet,
derenZerfallf¨alschlicherweiseals0νββ Signalinterpretiertwerdenkann. IstderZeitpunkt
77des Einfangs bekannt, kann ein Veto initialisiert werden, das den folgenden Ge-Zerfall
unterdruc¨ kt. Dies kann durch die Detektion der prompten γ-Strahlung geschehen, durch
welche die gewonnene Bindungsenergie abgestrahlt wird. Die prompte γ-Strahlung tr¨agt
77ihrerseits auch zum Untergrund bei. Die prompte Kaskade in Ge war jedoch bisher
76weitgehend unbekannt. Das Spektrum der Ge(n,γ)-Reaktion wurde am Instrument
fur¨ “Prompte Gamma Aktivierungsanalyse” (PGAA) an der Forschungs-Neutronenquelle
Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in Garching vermessen und die Energien sowie die Inten-
77¨sit¨aten der Uberg¨ange in Ge bestimmt. In einer zweiten Messung wurden Koinzidenzen
zwischen den einzelnen Linien gesucht. Dadurch konnte ein betr¨achtlicher Teil des Zer-
fallsschemas rekonstruiert werden. Zur quantitativen Absch¨atzung des Untergrundes in
GERDA wurden die Wahrscheinlichkeiten, d.h. die Wirkungsquerschnitte fur¨ den Neu-
76 ¨troneneinfang von Ge mit der Aktivierungsmethode bestimmt. Aquivalente Messun-
74gen wurden auch fur¨ das ebenfalls in den GERDA-Detektoren vorhandene Isotop Ge
durchgefuhrt.¨
Abstract
Experiments searching for the neutrinoless double beta (0νββ) decay require a very low
and well understood background because of the expected long half-lives. GERDA inves-
tigates the 0νββ-decay, a part of this background is due to the capture of muon induced
76 77neutrons on the Ge nuclei within the germanium diodes. The decay of the created Ge
nuclei could be misinterpreted as 0νββ-signal. If the moment of the neutron capture is
known, the decay can be suppressed by introducing a sufficiently long dead time. The
capture is revealed by the prompt γ-cascade that releases the binding energy gained. The
prompt radiation itself contributes to the overall background in the GERDA experiment
76as well. So far the prompt cascade was not well known. The spectrum of the Ge(n,γ)
reaction was measured using the instrument for “Prompt Gamma Activation Analysis”
(PGAA) at the Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in Garching
77to obtain the energies and intensities of the prompt transitions in Ge. In a second
measurement coincidences between these lines were determined to reconstruct the decay
scheme. For a quantitative estimation of the background in GERDA the neutron capture
76propabilityfor Ge, i.e.itscrosssection, wasdeterminedbytheactivationmethod. Sim-
74ilar measurements were carried out for the Ge isotop, present in the GERDA diodes as
well.Contents
1 Introduction: The GERDA experiment 1
1.1 Neutrinoless double beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 GERDA experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
761.3 Neutron capture on Ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Rejection strategy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Prompt γ-rays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Prompt Gamma Activation Analysis 11
2.1 Neutron reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 PGAA analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 FRMII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Data acquisition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Detector characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.4 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Thermal neutron capture cross sections 23
3.1 Activation method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
763.3 Cross sections of Ge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.3 Recalculation of the cross section with new emission probabilities . 32
3.3.4 Consequences for the GERDA experiment . . . . . . . . . . . . . . 32
743.4 Cross sections of Ge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
774 γ-ray intensities in the Ge decay 39
4.1 Available data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
777 755 Known levels and transitions in Ge and Ge 45
5.1 Data from (n,γ) reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.1 Hasselgren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.2 Groshev et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.1.3 Islam et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.4 Weishaupt and Rabenstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
755.1.5 Discussion of discrepancies of intensities in Ge . . . . . . . . . . . 48
13 125.1.6 C(n,γ) C reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Further reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6 Prompt γ-rays 53
6.1 Data taking of single spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2 Data taking of coincidence spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.2.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.2.2 Data acquisition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.2.3 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.4 Selection of data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.5 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
766.3.1 Ge(n,γ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
746.3.2 Ge(n,γ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.3.3 Consequences for the GERDA experiment . . . . . . . . . . . . . . 81
7 Conclusions 87
Appendix 89
77 75A Known levels and transitions in Ge and Ge . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
B Coincidence measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
C Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
List of figures 118
List of tables 121
References 123
List of publications 127
Acknowledgements 129Chapter 1
Introduction: The GERDA
experiment
1.1 Neutrinoless double beta decay
Double beta decayis a second order process in which two neutrons are converted into two
protons. Whiletwoneutrinodoublebetadecay(2νββ)withtheemissionoftwoelectrons
18and two anti-neutrinos was observed in several isotopes with half-lives of 7.0×10 y-
247.2×10 y [6], neutrinoless double beta decay (0νββ) is only a theoretically predicted
process extending the standard model of particle physics. So far the decay was not
observed and only lower limits on the half-life could be set. The experimentally obtained
limits show that 0νββ, if it exists, has the longest half-life of all known decays. The best
76 25limit on the half life of 0νββ decay in Ge is currently T =1.9×10 y (90% C.L.) set1/2
by the Heidelberg-Moscow (HdM) experiment [29]. Part of this collaboration claims the
+2.99 25observation of the 0νββ with a half-life of T =1.19 ×10 y (3σ range) [30].1/2 −0.50
The observation of 0νββ would prove that the neutrino is a Majorana particle, i.e.
the neutrino is its own anti-particle. This implies a lepton number violation by 2, lead-
ing to physics beyond the standard model. A necessary condition for the experimental
observation is that the neutrino is not massless, in contradiction to the standard model.
By several neutrino oscillation experiments it was shown that at least two mass eigen-
states are non-zero. The best limit on the neutrino mass results from cosmic observations
including the cosmic microwave background, supernova neutrinos, baryon acoustic oscil-
lations and photometric redshift survey data. Making several assumptions the sum of the
neutrino mass Σm =0.28eV (95% C.L.) was obtained [55]. From the position of theν
end point in the β-spectrum of tritium the mass of the electron neutrino can be deter-
mined directly. The current mass limit by such experiments is m(ν )<2eV [47]. Thee
new KATRIN experiment will use the same approach, reaching a sensitivity of about
m(ν )=0.2eV [22].e
1Figure 1.1: Underground laboratory LNGS of the INFN.
Assuming that only light Majorana neutrino exchange contributes, the observation of
neutrinolessdoublebetadecaywouldallowtoderivetheeffectiveneutrinomass m fromee
the measured half-life by
12m = . (1.1)ee 0ν0ν 0ν 2G (E ,Z)|M | T0 1/2
0ν 0νG istheintegraloverthephasespaceofthetwoelectronsand|M |thematrixelement
25supplied by theory. The experimental half-life limit of T =1.9×10 y corresponds to1/2
aneffectiveneutrinomassof m =0.35eV[29]dependingonthematrixelementused. Inee
the near future 0νββ experiments will probe effective neutrino masses down to 100meV.
1.2 GERDA experiment
In summer 2010 the GERmanium Detector Array (GERDA) experiment [14] started its
operation. GERDA searches for 0νββ decay in the underground laboratory LNGS of
the INFN in Italy (fig. 1.1). The overburden of 3800m.w.e. of rock reduces the flux of
cosmic muons by six orders of magnitude compared to the surface of the earth. Like the
76IGEX [5] and the HdM experiments germanium detectors, isotopically enriched in Ge
are employed, actually the same detectors are being used after refurbishment. However,
the shielding concept is contrary to this two experiments that used lead and very clean
2

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