Aufbau und Betrieb eines Detektor-Grundmoduls für das COBRA-Doppelbeta-Experiment

• Antragsteller: Professor Dr. Claus Gößling; Professor Dr. Kai Zuber
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268689691

Das Ziel dieses Antrags ist der Aufbau, Test- und Lowbackground-Betrieb eines Detektor-Grundmoduls aus neun 6cm^3 großen CdZnTe-Detektoren in Quad-CPG-Konfiguration (CPG-CoPlanar Grid). Dieser Prototyp stellt dabei das Basismodul für einen späteren, großskaligen Aufbau (Large-Array) dar, mit dem der Nachweis des neutrinolosen Doppelbetazerfalls durch das COBRA-Experiment möglich sein soll. Im Vergleich zu den bisher genutzten Detektoren weisen die im Prototyp eingesetzten Kristalle ein sechsfach größeres Volumen auf. Die sich daraus ergebenden Vorteile werden in einer deutlichen Reduzierung des Untergrundbeitrages durch Oberflächenereignisse und eine gesteigerte Gesamtempfindlichkeit des Experiments resultieren. Im ersten Arbeitspaket werden dafür die bisher gewonnenen Erkenntnisse und Methoden auf die größere Detektorgeometrie übertragen. Neben identifizierbaren Oberflächenereignissen wird ein Großteil der Untergrundereignisse durch Mehrfachwechselwirkungen im Kristall verursacht. Der Übergang vom einfachen CPG (COBRA-Demonstrator) auf die Quad-CPG-Geometrie ist dabei ein herausfordernder aber auch ein sehr erfolgversprechender Ansatz. Die bereits vorhandenen Identifikations-Methoden müssen hierfür im zweiten Arbeitspaket an die neuen Detektoren angepasst werden. Da zwei mögliche Konfigurationen des Quad-CPG-Grids existieren, soll außerdem durch ausführliche Analysen die geeignetere Variante identifiziert werden.Neben den detektorphysikalischen Untersuchungen werden auch die konstruktiven Arbeiten weiter vorangetrieben, so dass der modulare Aufbau eines Large-Arrays aus den entwickelten Detektor-Modulen sichergestellt werden kann. Hierbei steht insbesondere die Gewährleistung der Skalierbarkeit des Experiments im Fokus.Eine weitere wichtige Voraussetzung, um diese Skalierung zu ermöglichen, ist die Umstellung der momentan eingesetzten diskreten Detektor-Auslese auf eine hoch-integrierte, ASIC-basierte Pulsform-Aufzeichnung. Hierfür wurde bereits ein geeignetes Datennahme-System beschafft, welches die Anforderungen im Wesentlichen erfüllt, im Speziellen aber noch angepasst werden muss. Die Anpassungsarbeiten im Hard- und Software-Bereich werden ebenfalls innerhalb der beantragten Förderperiode durchgeführt.Abschließend wird das Detektormodul im Gran-Sasso-Untergrundlabor installiert und betrieben. Dabei soll nachgewiesen werden, dass sich der Background-Index durch den neuen Ansatz soweit verbessert, dass mit dem modularen Aufbau des COBRA-Large-Arrays ein konkurrenzfähiges Konzept zur Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall zur Verfügung steht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen