Confined event samples using Compton coincidence measurements for signal and background studies in the GERDA experiment

Nelle ricerche di eventi rari, come, per esempio, il decadimento doppio beta senza neutrini (0nbb), la sensibilità sperimentale dipende dal numero di eventi di fondo che rimangono nella regione di interesse dopo tutti i tagli di analisi. Per raggiungere una elevata sensibilità sperimentale è pertanto essenziale ridurre gli eventi di fondo. L'esperimento Gerda sta cercando il decadimento 0nbb mediante l’impiego dell’isotopo 76Ge. Recentemente l’esperimento si è dotato di 30 nuovi rivelatori al germanio del tipo BEGe. Il maggiore vantaggio di tali rivelatori è di permettere una efficace separazione degli eventi di segnale da quelli di fondo mediante lo studio della forma del segnale elettrico. Lo scopo primario di questa tesi è la ricerca di un metodo di raccolta di eventi che possano simulare quelli del decadimento 0nbb. Si vuole inoltre che tali eventi siano distribuiti su tutto il volume del rivelatore. Questo risulta molto utile per creare algoritmi che permettano di ridurre gli eventi di fondo in Gerda. Inoltre, lo studio della risposta del rivelatore a seconda del punto di interazione del fotone incidente permette di controllare e migliorare la descrizione della forma d’impulso ottenuta dalle simulazioni. È stato allestito un apparato sperimentale che permette di selezionare eventi caratterizzati da una singola interazione Compton provenienti da regioni ben definite del rivelatore sotto esame (nel nostro caso un rivelatore di tipo BEGe). Gli eventi provenienti da una singola interazione Compton giacché rilasciano l’energia in una regione ben circoscritta del rivelatore simulano gli eventi doppio beta. L’apparato ha la capacità di analizzare l’intero volume del BEGe nelle sue tre dimensioni. Come passo propedeutico è stato eseguito uno studio delle caratteristiche fondamentali dei rivelatori usati. Questo è servito per assicurare un funzionamento stabile e affidabile all’apparato sperimentale. Lo studio ha comportato anche l’esecuzione di dettagliate scansioni superficiali dei rivelatori utili queste come informazioni in ingresso ai programmi di simulazione. Le simulazioni hanno permesso un’analisi della distribuzione spaziale ed energetica degli eventi caratterizzati da una singola interazione Compton come di quelli da molteplici interazioni Compton. Basandosi su tale studio e’ stata ottimizzata la selezione degli eventi provenienti da un solo scattering Compton e da una posizione nota del rivelatore. Durante la campagna di raccolta dati sono stati acquisiti dei campioni di dati sotto diverse configurazioni dell’apparato sperimentale. Sono stati osservati delle differenze nella forma degli impulsi cambiando sia la posizione da cui proviene l’interazione che il valore di alta tensione applicata sul BEGe. In particolare, si è notato che la regione più sensibile è la parte iniziale dell’impulso. Per poter rigettare gli eventi di fondo è importante anche conoscerli e classificarli. L’analisi dei dati di Gerda nella sua prima fase sperimentale ha mostrato che una delle componenti principali degli eventi di fondo è dovuta all’isotopo 42Ar presente nel LAr. L’attività dell’42Ar è stata studiata con un approccio bayesiano usando dati di Gerda fase I. Il risultato finale è stato ottenuto tramite un ottimizzazione di una “binned likelihood”. Una cura particolare è stata rivolta all’analisi di possibili effetti sistematici dovuti ad una possibile distribuzione spaziale non omogenea dell’42Ar nel criostato di Gerda. Il risultato finale dell’attività specifica dell'42Ar è A (42Ar) = 101.0 (+2.5)(-3.0)(stat) +- 7.4(syst) uBq/kg. Tale valore risulta compatibile con una stima derivata da un particolare modello di produzione di tale isotopo raro nell’atmosfera. Risulta invece incompatibile con il limite superiore, 43 uBq/kg al 90% CL, riportato in una precedente misura sperimentale.