Study of Lepton Number Conserving and Non-Conserving Processes Using GERDA Phase I Data

L’esperimento GERmanium Detector Array (GERDA), situato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN, utilizza rivelatori al germanio ultra-puro per la ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini (0νββ). Tali rivelatori sono arricchiti nell’isotopo Ge-76. La prima fase dell’esperimento è durata da novembre 2011 a maggio 2013 ed ha raccolto dati con un’esposizione totale di 21.6 kg · yr. In questa tesi è stato sviluppato dapprima un modello dei fondi per scomporre lo spettro energetico osservato nei suoi singoli componenti. La regione intorno al Q-valore della reazione 0νββ, Qββ , a 2039 keV è stata studiata in modo dettagliato. I contributi principali al fondo in questa regione sono: i decadimenti alfa e beta della catena del U-238, i decadimenti beta della catena del Th-232 ed i decadimenti beta del K-42. È stato dimostrato inoltre che il fondo intorno a Qββ può essere descritto con una costante. Il doppio decadimento beta con emissione di due neutrini (2νββ) è un processo che conserva il numero leptonico ed è previsto dal Modello Standard. Nella regione dominata dagli eventi 2νββ è stato raggiunto un rapporto fra segnale e fondo di 3 : 1. Questo risultato ha permesso di misurare il tempo di dimezzamento del decadimento con una precisione ineguagliata dagli esperimenti precedenti, T1/2^2ν = (1.96 ± 0.13) · 10^21 yr. Alcuni modelli di fisica oltre il Modello Standard prevedono il doppio decadimento beta senza neutrini con emissione di uno o due majoroni (0νββχ(χ)). In base alla teoria, questo processo può violare o conservare il numero leptonico. Un’analisi dei dati della prima fase di GERDA non ha fornito alcun riscontro di contributi di uno di questi modelli agli spettri energetici osservati. Il limite inferiore sul tempo di dimezzamento per il modello ordinario del majorone (indice spettrale n = 1) è stato stimato pari a T1/2^0νχ > 4.15 · 10^23 yr (quantile del 90 %). Questo valore e quelli ricavati per altri modelli del majorone costituiscono i limiti più stringenti su 0νββχ(χ) nel Ge-76 misurati fino ad ora. Lo scopo primario dell’esperimento GERDA è la ricerca del 0νββ nel Ge-76. Questo processo, che viola il numero leptonico, è previsto dalle estensioni del Modello Standard e la sua osservazione dimostrerebbe che la massa del neutrino ha una componente di tipo Majorana. L’analisi dei dati della prima fase di GERDA non ha rivelato nessun cenno della presenza di un segnale di 0νββ. È stato così determinato un limite inferiore sul tempo di dimezzamento, T1/2^0ν > 1.83 · 10^25 yr (quantile del 90 %).