First analysis of LEGEND-200 commissioning data: searching for neutrinoless double beta decay in Germanium-76

Neutrinoless double beta decay (0vbb) is a hypothetical lepton-number-violating rare process that could take place only if neutrinos were Majorana fermions: the observation of this decay would be an unambiguous proof of neutrinos nature and an evidence for lepton number violation, a fully beyond Standard Model phenomenon. Moreover, from the measurement of the half life for this decay, it would be possible to extract some information concerning neutrinos masses. Among the experiments aiming to observe the 0vbb decay there is LEGEND (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless double beta Decay), working in Gran Sasso National Laboratories (LNGS). LEGEND is built combining the best technologies from GERDA (LNGS) and MAJORANA Demonstrator (Sanford Underground Laboratory, South Dakota). The key idea of the LEGEND experiment is to search for the 0vbb decay 76Ge -> 76Se + 2e- employing Germanium detectors enriched in Germanium-76 (~92%). These detectors are operated in Liquid Argon, which serves both as refrigerant for the detectors and as a veto for background signals. All this setup is immersed in a large volume of water serving as veto for the muons reaching the experimental site.In the first phase of the experiment, 200 kg of Germanium are deployed, leading to an expected half-life sensitivity beyond 10^27 years; the goal of the second phase is to deploy 1 ton of Germanium, for a final sensitivity beyond 10^28 years. This thesis project is developed in the context of the commissioning activities of the LEGEND experiment, when 60 kg of Germanium are deployed. The objective of the performed analysis is to identify the physical signals of interest acquired by the detection system and to study their energy spectra.

Il doppio decadimento beta senza neutrini (0vbb) è un ipotetico processo raro che potrebbe avvenire solo se il neutrino fosse un fermione di Majorana. Un'eventuale osservazione di questo decadimento costituirebbe quindi una prova inequivocabile della natura del neutrino, nonché un'evidenza sperimentale della violazione del numero leptonico, fenomeno non previsto dal Modello Standard. Inoltre, da una misura del tempo di dimezzamento per questo decadimento sarebbe possibile ricavare informazioni riguardo alla massa dei neutrini. Tra gli esperimenti finalizzati ad osservare il decadimento 0vbb c'è LEGEND (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless double beta Decay), che opera ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). LEGEND nasce dall'unione delle migliori tecnologie degli esperimenti GERDA (LNGS) e MAJORANA Demonstrator (Sanford Underground Laboratory, South Dakota). L'idea chiave dell'esperimento LEGEND è di ricercare il decadimento 0vbb 76Ge -> 76Se + 2e- utilizzando rivelatori al Germanio arricchiti in Germanio-76 (~92%). I rivelatori sono immersi in Argon liquido, che svolge la duplice funzione di refrigerante per i rivelatori stessi e veto per identificare segnali di fondo. Tutto il setup è immerso in un grande volume d'acqua, che funge da veto per i muoni che raggiungono il sito dell'esperimento.Nella prima fase dell'esperimento saranno messi in opera 200 kg di Germanio, con i quali la sensibilità attesa per il tempo di dimezzamento del decadimento ricercato è di oltre 10^27 anni; l'obiettivo della seconda fase è di impiegare 1 ton di Germanio, per una sensibilità di oltre 10^28 anni. Questo lavoro di tesi si incentra sullo studio dei dati raccolti durante la fase di commissioning dell'esperimento LEGEND, con 60 kg di Germanio: l'analisi svolta è finalizzata all'identificazione dei segnali fisici di interesse e allo studio degli spettri energetici acquisiti.