Background Reduction Techniques for the Gerda Experiment Dissertation zur Erlangung der naturwissenschaftlichen Doktorw¨urde (Dr. sc. nat.) vorgelegt der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Fakult¨at der Universit¨atZ¨urich von Manuel Walter aus Deutschland Promotionskomitee Prof. Dr. Laura Baudis (Vorsitz) Prof. Dr. Ueli Straumann Prof. Dr. Marc Schumann Z¨urich 2015 Abstract Major questions of modern physics, such as the matter-antimatter asymmetry, the mass of neutrinos and its nature, can be answered by the neutrinoless double beta decay (Chapter 1). The Gerda experiment is searching for this decay in 76Ge. In 25 Phase I a limit of T1/2 > 2.1·10 yr (90% C.L.) was set on the half-life of this decay and a sensitivity of 1.4 · 1026 yr is expected for Phase II (Chapter 2). Reducing the background by one order of magnitude is a major goal of the current upgrade, approached by an active liquid argon veto, enhanced pulse shape discrimination capabilities and a reduction of background sources. In Gerda, germanium detectors are directly immersed into liquid argon. Back- ground events are rejected by their energy deposition in argon, which results in the production of vacuum UV light. It is converted to blue light, detectable with conventional PMTs. The conversion is performed by TPB-coated Tetratex, a com- ponent strongly influencing the efficiency of the veto system and developed within the framework of this thesis (Chapter 3). A liquid argon setup was built espe- cially for this purpose. The coated reflector foil was optimised for its light yield, cryogenic stability and radiopurity, achieving a light yield 3.15 ± 0.16 times higher than with uncoated VM2000. A setup was developed to measure emanation rates down to 10−13 mbar l/s indi- vidually for different chemical components (Chapter 4), with a mass spectrometer as central unit. The system was employed to measure emanation rates from TPB- coated Tetratex, which were found to be (< 317, < 47, 11.1, 12) ·10−12 mbar l/s of the dominant components CO2,N2+CO, H2O and the solvent dichloromethane, respectively, after pumping for ∼ 1300 min. Pulse shape discrimination is applied to both semi-coaxial and broad energy germanium (BEGe) detectors deployed in Gerda in order to select signal like events. An alternative multivariate analysis was developed for the former type employing a Support Vector Machine (Chapter 5). Its parameters were optimised by comparing the event classification with a simulation, resulting in a successful signal selection. The pulse shape discrimination efficiency of both detector types is dependent on the level of electronic noise. An advanced digital noise filter based on wavelet transformations was thus implemented in the official Gerda analysis software (Chapter 6). The parameters were optimised on the background rejection efficiency of BEGe-type detectors, which yielded an improvement by 4% on a measurement with low noise. This filter is also a very useful tool for other applications, such as the pulse shape discrimination with semi-coaxial detectors, enhancing the energy resolution and studies of low energy events. The calibration source insertion system was upgraded as well (Chapter 7). It was equipped with new, reliable end switch activation pins and 10 m long stainless steel bands and extended by a new parking indicator and shutter alarm system. These contributions help the Gerda experiment to achieve its goals for Phase II. Zusammenfassung Einige der wichtigsten Fragen der modernen Physik, wie die Materie-Antimaterie- Assymmetrie, die Masse und die Natur der Neutrinos können durch den neutri- nolosen doppelten Betazerfall beantwortet werden (Kapitel 1). Das Gerda Ex- periment sucht nach diesem in 76Ge und hat in Phase I eine untere Grenze von 25 T1/2 > 2.1 · 10 yr auf die Halbwertszeit gesetzt. In Phase II wird eine Sensiti- 26 vität von T1/2 ≈ 1.4 · 10 yr erwartet, wofür eine Reduzierung des Untergrunds um eine Größenordnung notwendig ist. Dies wird durch eine Instrumentierung des flüssigen Argons, eine verbesserte Pulsformanalyse und Verringerung bekannter Untergrundquellen erreicht (Kapitel 2). Die Germaniumdetektoren in Gerda sind von flüssigem Argon umgeben, in welchem durch Untergrundereignisse Vakuum-UV Licht erzeugt wird, welches mit TPB beschichtetem Tetratex zu blauem Licht konvertiert und von konventionel- len photomultiplier tubes detektiert wird. Untergrundereignisse können auf diese Weise diskriminiert werden. Die beschichtete Folie beeinflusst die Effizienz maß- geblich und wurde im Rahmen dieser Dissertation mit Hilfe eines speziell dafür entworfenen Flüssigargonaufbaus entwickelt (Kapitel 3). Die Lichtausbeute, kryo- gene Stabilität und radioaktive Reinheit wurden optimiert und eine 3.15 ± 0.16 mal höhere Lichtausbeute erzielt, als mit unbeschichtetem VM2000. Des Weiteren wurde ein Aufbau entwickelt, mit welchem die chemische Zusam- mensetzung von ausgasenden Substanzen und deren Raten bis zu einem Wert von 10−13 mbar l/s gemessen werden können (Kapitel 4). Mit diesem wurden sehr nied- rige Raten für TPB beschichtetes Tetratex gefunden. Das Herzstück der Anlage ist ein Massenspektrometer. Signalereignisse werden für beide in Gerda verwendeten Detektorarten durch Pulsformanalysen ausgewählt. Für halbkoaxiale Detektoren wurde eine alternative multivariante Analyse entwickelt. Diese verwendet eine Support Vector Machine (Kapitel 5) deren Parameter durch den Vergleich mit einer Simulation optimiert wurden. Mit dieser Methode wurde die Selektion von Signalereignissen erfolgreich durchgeführt. Die Effizienz der Pulsformanalysen hängt von der Höhe des elektronischen Rau- schens ab. Ein flexibler digitaler Filter, basierend auf Wavelet Transformationen, wurde in die offizielle Gerda Software implementiert. Dessen Parameter wurden über die Untergrundunterdrückungseffizienz von BEGe-Typ Detektoren optimiert, welche in einer Messung mit wenig Rauschen um 4 % verbessert (Kapitel 6) wurde. Der Filter ist auch für viele andere Anwendungen ein sehr nützliches Instrument, z.B. für die Pulsformanalyse mit halbkoaxialen Detektoren, eine Verbesserung der Energieauflösung sowie potentielle Analysen welche Ereignisse mit kleinen Energi- en verwenden. Das System zur Einführung von Kalibrierungsquellen wurde mit einem neuen, verlässlichen Endschalteraktivierungspin, einem 10 m langen Stahlband und einem zusätzlichen Parkpositionsindikator- und Alarmsystem aufgerüstet (Kapitel 7). Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Entwicklungen tragen dazu bei, die Ziele für Phase II zu erreichen. Contents 1 Introduction 8 1.1 Neutrinos . .9 1.2 Double Beta Decay . 12 1.2.1 Experimental Signature of the Neutrinoless Double Beta Decay 14 1.3 Status of Current Neutrinoless Double Beta Decay Experiments . 16 2 The GERDA Experiment 18 2.1 Phase I Hardware and Data Acquisition . 20 2.2 Background Sources and Event Topologies . 23 2.3 Detector Types and Pulse Shape Discrimination . 25 2.4 Phase I Results . 26 2.5 Upgrades for Phase II . 26 2.5.1 Procurement of High Purity BEGe Type Detectors . 28 2.5.2 Liquid Argon Veto System . 28 3 Development of Efficient Wavelength-Shifting Reflector Foils for Liquid Argon Scintillators 31 3.1 Description of Reflector Foils and Coatings . 32 3.1.1 Properties of the Reflector Foils . 32 3.1.2 Coating Technique . 33 3.1.3 Optical Properties and Thickness of Applied Coatings . 34 3.1.4 Summary of Available Coating-Reflector Combinations . 41 3.2 Mechanical and Cryogenic Stability . 41 3.3 Fluorescence Spectra for an Excitation Wavelength of 260 nm . 43 3.4 Scintillation Process in Gaseous and Liquid Argon . 46 3.5 Experimental Argon Setup . 47 3.5.1 Cooling System . 51 3.5.2 Liquid Argon Level Measurements . 54 3.5.3 Remote Monitor . 59 3.5.4 Data Acquisition . 61 3.6 Analysis Methods . 62 1 CONTENTS 3.6.1 PMT Calibration . 62 3.6.2 Determination of the Triplet Lifetime . 66 3.6.3 Selection of Alpha Events . 69 3.6.4 Determination of the Light Yield . 71 3.7 Reflector Installation and Measurement Procedure . 73 3.8 Results . 75 3.8.1 Characterisation of the PMT R11065-10 . 76 3.8.2 Optimising the TPB Coating Thickness on Tetratex . 83 3.8.3 Relative Light Yield of Coatings With Commercial Scintil- lators . 86 3.8.4 Light Yield Measurements in Liquid Argon . 87 3.8.5 Long-Term Stability in Gaseous Argon, Liquid Argon and Air 90 3.8.6 Delayed Fluorescence from TPB and from VM2000 . 97 3.8.7 Discussion of Uncertainties . 98 3.9 Comparison of Results and Methods . 100 3.10 Radiopurity of TPB Coated Tetratex . 101 3.11 Installation of TPB Coated Tetratex in the Liquid Argon Veto . 104 3.12 Coatings of Transparent Nylon . 107 3.13 Conclusions and Outlook . 111 4 Emanation Rate Measurement System 113 4.1 Hardware Description . 114 4.2 Measurement and Loading Procedures . 116 4.2.1 Solid Samples . 116 4.2.2 Gaseous Samples . 118 4.3 Data Acquisition . 119 4.4 Analysis Procedure and Software . 121 4.4.1 Reading of Mass Spectra . 121 4.4.2 Analysis of Mass Spectra . 121 4.5 Commissioning and Characterisation . 123 4.5.1 Blank Chamber Emanation Rates . 124 4.5.2 Electron Multiplier Gain Calibration . 126 4.5.3 Verification of Measurement and Analysis Procedures . 127 4.6 Measured Samples . 130 4.6.1 Emanation from PTFE after Different Cleaning Procedures . 131 4.6.2 Emanation from TPB Coated Tetratex for GERDA . 134 4.7 Conclusions and Outlook . 141 5 Pulse Shape Discrimination for Semi-Coaxial Detectors Employ- ing a Support Vector Machine 143 5.1 Function Principle of a Support Vector Machine . 144 2 CONTENTS 5.2 Selection of Training Datasets and Input Variables . 145 5.3 Parameter Optimisation . 147 5.3.1 Selection of Single Site Events in a Simulation . 148 5.3.2 Parameter Scan . 149 5.4 Application to GERDA Phase I Data . 155 5.4.1 Comparison to Other Pulse Shape Discrimination Methods . 162 5.5 Conclusions and Outlook . 162 6 Electronic Noise Reduction Employing Wavelet Transformations164 6.1 Pulse Shape Discrimination Principle with BEGe-Type Detectors . 164 6.2 Introduction to Wavelet Transformations . 166 6.3 Implementation into the GERDA Analysis Software .