First results from LEGEND-200: searching for $0\nu\beta\beta$ decay in $^{76}$Ge

Het LEGEND-200-experiment heeft na één jaar data geen bewijs gevonden voor neutrinoloze dubbelbetaverval in $^{76}$Ge, wat leidt tot een nieuwe ondergrens voor de halfwaardetijd van $0,5 \cdot 10^{26}$ jaar en een gezamenlijke limiet van $1,9 \cdot 10^{26}$ jaar in combinatie met eerdere GERDA en MAJORANA Demonstrator-resultaten.

De kern

De Grote Jacht op een Spook: LEGEND-200

Stel je voor dat je op zoek bent naar een heel specifiek, zeldzaam spook dat alleen maar één keer per biljoen jaar opduikt. Dat is precies wat de wetenschappers van het LEGEND-experiment doen. Ze zoeken naar een "geest" in de atoomwereld: een proces dat neutrinoloze dubbel-bèta-verval heet.

1. Wat zijn ze eigenlijk aan het zoeken?

In de normale wereld (zoals we die kennen) zijn atomen stabiel. Maar soms, heel zelden, verandert een atoomkern in een andere. Normaal gesproken gooit een atoom bij zo'n verandering twee elektronen én twee "neutrino's" (kleine, spookachtige deeltjes) eruit.

De wetenschappers hopen echter iets te zien dat nooit is waargenomen: een atoom dat twee elektronen eruit gooit, maar geen neutrino's.

• De vergelijking: Stel je voor dat je een bal gooit en hij verdwijnt in de lucht. Normaal zou je een windvlaag (het neutrino) moeten voelen. Als je de bal gooit en er is geen wind, dan is er iets heel vreemds aan de hand.
• Waarom is dit belangrijk? Als ze dit spottend vinden, betekent het dat neutrino's hun eigen antideeltje zijn (Majorana-deeltjes). Dit zou verklaren waarom het heelal bestaat uit materie en niet uit antimaterie. Het is een van de grootste mysteries van de natuurkunde.

2. De Jachthond: LEGEND-200

Om dit spook te vangen, hebben ze een gigantische, supergevoelige jachthond gebouwd genaamd LEGEND-200.

• De Locatie: Het experiment zit diep onder de grond in Italië (bij Gran Sasso), onder 1400 meter steen. Dit is als een bunker die je beschermt tegen het "ruisen" van het heelal (kosmische straling).
• De Vangstnetten: Ze gebruiken 142,5 kilo aan speciale germanium-kristallen. Deze kristallen zijn als ultra-gevoelige microfoons. Als een atoom in het kristal verandert, hoor je een heel specifiek geluid (een piek in energie).
• De Koeling: De kristallen drijven in een bad van vloeibare argon (een edelgas), net zo koud als de ruimte (-186°C). Dit bad fungeert als een alarm: als er een ongewenste deeltje (achtergrondruis) in het bad terechtkomt, schreeuwt het alarm (via lichtsignalen) en wordt het signaal genegeerd.

3. Het Grote Moeilijkheidsprobleem: De Ruis

Het grootste probleem is dat er overal "ruis" is. Denk aan een stil concertzaal waar je probeert een fluisterend woord te horen, maar er zitten duizenden mensen die zachtjes hoesten en schuiven.

• In dit experiment is die "hoest" straling van oude stenen, stof of zelfs de lucht zelf.
• De wetenschappers wilden een heel schone "stilte" creëren. Ze hoopten op een Background Index (achtergrondruis) van 2 op de 10.000.

4. Wat hebben ze gevonden? (De Eerste Resultaten)

In 2023 startten ze met het verzamelen van data. Na een jaar hard werken (met 61 kilo-jaren aan data) hebben ze de "blinde doos" geopend.

• Het nieuws: Ze hebben het spook niet gevonden. Er was geen piek op de exacte plek waar het moest zitten.
• De teleurstelling? Nee, in de wetenschap is "niets vinden" ook een resultaat! Het betekent dat het spook nog zeldzamer is dan we dachten.
• Het resultaat: Ze hebben een nieuwe, strengere grens gezet. Ze kunnen nu zeggen: "Als dit spook bestaat, gebeurt het minder dan één keer per 50 sextiljoen jaar." (Dit is een getal met 26 nullen!).
• Samenwerking: Toen ze hun resultaten combineerden met eerdere experimenten (GERDA en Majorana), werd de grens nog sterker: minder dan één keer per 190 sextiljoen jaar. Dit is de beste grens die ooit is bereikt.

5. Een klein probleempje en een oplossing

Er was één ding dat niet helemaal liep zoals gepland: er was meer "ruis" dan verwacht. Het was alsof er in de concertzaal ineens wat meer mensen begonnen te fluisteren dan de plannen hadden voorspeld.

• De oplossing: Ze hebben de hele opstelling uit elkaar gehaald, grondig schoongemaakt en verbeterd. Ze hebben de slechtste kristallen verwijderd en alleen de beste, nieuwste kristallen teruggeplaatst.
• De toekomst: Sinds april 2025 draait de machine in deze nieuwe, schonere configuratie. De eerste signalen zijn veelbelovend: de ruis is flink gedaald.

Conclusie: Waarom is dit cool?

Hoewel ze het spook nog niet hebben gevangen, hebben ze de jachtzone enorm verkleind. Het is alsof je een zoektocht doet naar een naald in een hooiberg. LEGEND-200 heeft nu de helft van de hooiberg leeggemaakt en gezegd: "De naald zit hier niet."

Dit betekent dat we dichter bij het antwoord komen op de vraag: Waarom bestaan wij? En als ze het spook in de toekomst toch vinden, zal dat een van de grootste doorbraken in de geschiedenis van de natuurkunde zijn.

Technische samenvatting

Probleemstelling en Doel

Het paper presenteert de eerste resultaten van het LEGEND-200 experiment, dat gericht is op het zoeken naar neutrinoloze dubbel-bèta-verval (0𝜈𝛽𝛽) van het isotoop $^{76}$Ge.

• Fysische relevantie: De observatie van 0𝜈𝛽𝛽-verval zou een directe test zijn van het behoud van leptongetal en aantonen dat neutrino's Majorana-fermionen zijn (d.w.z. dat ze hun eigen antideeltje zijn). Dit zou ook inzicht geven in de materie-antimaterie-asymmetrie in het heelal via leptogenese.
• Het signaal: In tegenstelling tot het standaardmodel-verval (2𝜈𝛽𝛽), waarbij energie wordt gedeeld met twee neutrino's (een continu spectrum), zou 0𝜈𝛽𝛽-verval resulteren in een smalle piek op de Q-waarde van het verval ($Q_{\beta\beta} \approx 2039$ keV), waarbij de twee elektronen de totale vervalenergie dragen.
• De uitdaging: Het experiment moet werken in een "achtergrondbewuste" regime. De sensitiviteit voor de halfwaardetijd ($T_{1/2}$) schaalt lineair met de blootstelling ($M \cdot t$) in een achtergrondbewuste omgeving, maar slechts met de wortel van de blootstelling in een achtergrondgedomineerde omgeving. De doelstelling is een uiterst lage achtergronddichtheid.

Methodologie en Opstelling

Het LEGEND-project werkt in twee fasen: LEGEND-200 (huidig) en LEGEND-1000 (toekomstig). LEGEND-200 is gevestigd in de Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italië, onder 1400 meter gesteente om kosmische straling te weren.

Experimentele Opstelling:

• Detectoren: Het hart van het experiment bestaat uit 142,5 kg verrijkte (86-92% $^{76}$Ge) High Purity Germanium (HPGe) detectoren. Deze dienen zowel als bron als detector. Er worden vier typen gebruikt:
  • Inverted-Coaxial Point-Contact (ICPC): Nieuw ontworpen voor LEGEND.
  • p-type Point-Contact (PPC): Van het MAJORANA Demonstrator.
  • Broad Energy Germanium (BEGe): Van GERDA.
  • Semicoaxiale (Coax): Van GERDA (deze hebben echter een slechtere energieresolutie).
• Cryostaat: De detectoren werken "naakt" in een vloeibare argon (LAr) cryostaat (64 m³). LAr fungeert als koelmiddel (~88 K) en als actieve veto voor achtergrondevenementen via scintillatielicht, gedetecteerd door SiPM's.
• Schilding: Een water-tank van 590 m³ met 63 PMT's omringt de argon-cryostaat. Dit dient als passieve schilding tegen neutronen en gammastraling, en als actieve Cherenkov-detector voor doorlopende muonen.

Analyse en Onderdrukkingstechnieken:
Het experiment maakt gebruik van de topologie van energieafzetting om signaal van achtergrond te onderscheiden:

1. Single Site Events (SSE) vs. Multi Site Events (MSE): 0𝜈𝛽𝛽-deeltjes deponeren energie in één klein punt (~1 mm³) in de detector (SSE). Veel achtergrondevenementen (zoals Compton-verstrooiing) deponeren energie op meerdere plekken (MSE).
2. Pulse Shape Discrimination (PSD): Door de vorm van het elektrische signaal te analyseren, kunnen SSE's en MSE's worden onderscheiden.
3. Anti-coïncidentie:
   • Ge-Ge: Evenementen die gelijktijdig in meerdere Germanium-detectoren worden gezien, worden verworpen.
   • LAr Veto: Evenementen waarbij energie wordt gedetecteerd in het vloeibare argon binnen een tijdvenster van de detectortrigger, worden verworpen.
   • Muon Veto: Evenementen die samenvallen met muonen in de water-tank.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

Het paper presenteert de analyse van het eerste jaar aan data (maart 2023 - februari 2024), met een geselecteerde blootstelling van 61 kg·jaar.

Prestaties:

• Energieresolutie: De ICPC, BEGe en PPC detectoren voldoen aan het doel van LEGEND met een FWHM (Full Width at Half Maximum) bij $Q_{\beta\beta}$ van $\le 2,5$ keV. De oudere Coax-detectoren presteren slechter (4,5 keV) en worden daarom niet meegenomen in toekomstige opstellingen.
• Achtergrond: Er werd een achtergrondoverschot waargenomen ten opzichte van radiochemische voorspellingen, maar dit werd succesvol gemitigeerd door de LAr-veto en PSD-snijwaarden.

Statistische Analyse:

• De analyse werd uitgevoerd in een "blinde" configuratie (venster $Q_{\beta\beta} \pm 25$ keV).
• Na het "ontblinden" bleven 11 gebeurtenissen over in het analysevenster (7 uit de "gouden" dataset en 4 uit de "zilveren" dataset).
• Geen bewijs: Er is geen bewijs gevonden voor een 0𝜈𝛽𝛽-signaal.
• Grenswaarden (90% CL):
  • Alleen LEGEND-200: $T_{1/2}^{0\nu} > 0,5 \cdot 10^{26}$ jaar (median exclusion sensitivity: $1,0 \cdot 10^{26}$ jaar).
  • Gecombineerde analyse (GERDA + MAJORANA + LEGEND-200): $T_{1/2}^{0\nu} > 1,9 \cdot 10^{26}$ jaar. Dit is de beste grenswaarde tot nu toe voor dit type experiment.
• Effectieve Majorana-massa: Op basis van deze grenswaarde wordt de effectieve Majorana-massa ($m_{\beta\beta}$) beperkt tot 75 – 200 meV (afhankelijk van de gebruikte nucleaire matrixelementen).

Betekenis en Toekomst

• Validatie van de techniek: De resultaten bevestigen dat de LEGEND-architectuur (actieve LAr-veto, PSD, verrijkte Ge-detectoren) zeer effectief is in het onderdrukken van achtergronden, hoewel er nog ruimte is voor verbetering.
• Achtergrondbeheersing: De observatie van een onverwachte achtergrondoverschot leidde tot een uitgebreide reinigings- en screeningcampagne.
• Toekomstige stappen: Sinds april 2025 is het array opnieuw opgesteld met een verbeterde configuratie:
  • Verwijdering van de minder performante Coax- en PPC-detectoren.
  • Exclusieve inzet van ICPC en BEGe detectoren, inclusief nieuwe, zwaardere ICPC-detectoren.
  • De totale massa is nu 137,5 kg.
  • Eerste analyses van deze nieuwe configuratie suggereren een aanzienlijke reductie van de achtergrond.

Het paper markeert een belangrijke mijlpaal op weg naar LEGEND-1000, dat streeft naar een halfwaardetijd-sensitiviteit van $>10^{28}$ jaar en een volledige dekking van het parametergebied voor de Inverted Ordering van neutrino-massa's.