Search for double-beta decay of 130Te to the excited states of 130Xe in CUORE-0

CUORE-0 was a bolometric experiment, operated between 2013 and 2015, whose main scientific goal was the search for neutrinoless double-beta decay (0vbb) in 130Te. The detector consisted of 52 TeO2 crystals, used both as a detector and a source for the isotope under investigation. The crystals were arranged in a single tower and contained in a cryostat capable of reaching the temperature of 10 mK. Thanks to the low background of the experiment, searches for rare events other than 0vbb are possible. In this thesis I describe the methods used to search for double-beta decay of 130Te on the excited states of 130Xe. This decay is characterized by the emission of two electrons followed by a photon cascade, giving it a very characteristic signature. I studied two distinct processes, the SM-allowed two neutrino double-beta decay and neutrinoless double-beta decay on the excited states. In order to properly detect the signatures of these decays a dedicated optimization of the analysis procedure, involving both real and simulated data, was required. The two decays are not observed in CUORE-0, but a lower limit on the half-life of both processes can be set: for the neutrinoless decay, T1/2 > 5.44x10^23 yr, and for the two neutrino decay T1/2 > 1.85x10^23. The result from the two neutrino channel from CUORE-0 was a clear improvement over the previously existing half-life limit, set by the Cuoricino experiment at 1.30x#10^23 years. The combination of the results from CUORE-0 and Cuoricino yields even better limits: T1/2 > 1.48x10^24 years for the neutrinoless channel and T1/2 > 2.19x10^23 for the two neutrino channel. These results represent the most stringent limits currently available for both processes.

CUORE-0 è stato un esperimento bolometrico, mantenuto in funzione dal 2013 al 2015, il cui scopo scientifico principale è stata la ricerca del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini (0vbb) nel 130Te. Il rivelatore era costituito da 52 cristalli di TeO2, usati sia come rivelatore che come sorgente dell'isotopo di interesse. I cristalli erano organizzati in una singola torre e contenuti in un criostato capace di raggiungere la temperatura di 10 mK. Grazie al basso fondo radioattivo raggiunto dall'esperimento, la ricerca di altri processi rari, oltre al decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, è stata possibile. In questa tesi descrivo i metodi che ho usato per la ricerca del decadimento doppio beta del 130Te sugli stati eccitati del 130Xe. Questo decadimento è caratterizzato dall'emissione di due elettroni, seguiti da una cascata di fotoni, dandogli una segnatura chiaramente identificabile. Ho studiato due processi distinti, il decadimento con l'emissione di due neutrino, permesso dal Modello Standard, e il decadimento senza emissione di neutrini. Per poter identificare chiaramente la segnatura di questi decadimenti è stato necessario ottimizzare una procedura di analisi dedicata, che ha richiesto l'uso sia di dati reali che simulati. I due decadimenti non sono stati osservati in CUORE-0, ma è stato possibile dare un limite inferiore al relativo tempo di dimezzamento: per il decadimento senza emissione di neutrini T1/2 > 5.44x10^23 anni, mentre per il decadimento con l'emissione di due neutrini T1/2 > 1.85x10^23 anni. In particolare, il risultato per il canale con l'emissione di due neutrini rappresenta un netto miglioramento rispetto al limite preesistente, determinato dall'esperimento Cuoricino e pari a 1.30x10^23 anni. La combinazione dei risultati di CUORE-0 e Cuoricino permette di raggiungere limiti ancora migliori: T1/2 > 1.48x10^24 anni per il decadimento senza neutrini e T1/2 > 2.19x10^23 anni per il decadimento con due neutrini. Questi risultati rappresentano i limiti più stringenti disponibili al momento per entrambi i processi.