We report constraints on spin-independent weakly interacting massive particle (WIMP)-nucleon scattering using a 3.35×104 kg day exposure of the Large Underground Xenon (LUX) experiment. A dual-phase xenon time projection chamber with 250 kg of active mass is operated at the Sanford Underground Research Facility under Lead, South Dakota (USA). With roughly fourfold improvement in sensitivity for high WIMP masses relative to our previous results, this search yields no evidence of WIMP nuclear recoils. At a WIMP mass of 50 GeV c−2, WIMP-nucleon spin-independent cross sections above 2.2×10−46 cm2 are excluded at the 90% confidence level. When combined with the previously reported LUX exposure, this exclusion strengthens to 1.1×10−46 cm2 at 50 GeV c−2.Received 13 October 2016DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.021303© 2017 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasParticle dark matterWeakly interacting massive particlesGravitation, Cosmology & AstrophysicsParticles & Fields

The Large Underground Xenon (LUX) experiment is a dual-phase xenon time-projection chamber operating at the Sanford Underground Research Facility (Lead, South Dakota). The LUX cryostat was filled for the first time in the underground laboratory in February 2013. We report results of the first WIMP search data set, taken during the period from April to August 2013, presenting the analysis of 85.3 live days of data with a fiducial volume of 118 kg. A profile-likelihood analysis technique shows our data to be consistent with the background-only hypothesis, allowing 90% confidence limits to be set on spin-independent WIMP-nucleon elastic scattering with a minimum upper limit on the cross section of 7.6 × 10(-46) cm(2) at a WIMP mass of 33 GeV/c(2). We find that the LUX data are in disagreement with low-mass WIMP signal interpretations of the results from several recent direct detection experiments.

We present constraints on weakly interacting massive particles (WIMP)-nucleus scattering from the 2013 data of the Large Underground Xenon dark matter experiment, including 1.4×10^{4} kg day of search exposure. This new analysis incorporates several advances: single-photon calibration at the scintillation wavelength, improved event-reconstruction algorithms, a revised background model including events originating on the detector walls in an enlarged fiducial volume, and new calibrations from decays of an injected tritium β source and from kinematically constrained nuclear recoils down to 1.1 keV. Sensitivity, especially to low-mass WIMPs, is enhanced compared to our previous results which modeled the signal only above a 3 keV minimum energy. Under standard dark matter halo assumptions and in the mass range above 4 GeV c^{-2}, these new results give the most stringent direct limits on the spin-independent WIMP-nucleon cross section. The 90% C.L. upper limit has a minimum of 0.6 zb at 33 GeV c^{-2} WIMP mass.

LUX-ZEPLIN (LZ) is a next-generation dark matter direct detection experiment that will operate 4850 feet underground at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota, USA. Using a two-phase xenon detector with an active mass of 7 tonnes, LZ will search primarily for low-energy interactions with weakly interacting massive particles (WIMPs), which are hypothesized to make up the dark matter in our galactic halo. In this paper, the projected WIMP sensitivity of LZ is presented based on the latest background estimates and simulations of the detector. For a 1000 live day run using a 5.6-tonne fiducial mass, LZ is projected to exclude at 90% confidence level spin-independent WIMP-nucleon cross sections above $1.4\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}48}\text{ }\text{ }{\mathrm{cm}}^{2}$ for a $40\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}/{c}^{2}$ mass WIMP. Additionally, a $5\ensuremath{\sigma}$ discovery potential is projected, reaching cross sections below the exclusion limits of recent experiments. For spin-dependent WIMP-neutron(-proton) scattering, a sensitivity of $2.3\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}43}\text{ }\text{ }{\mathrm{cm}}^{2}$ ($7.1\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}42}\text{ }\text{ }{\mathrm{cm}}^{2}$) for a $40\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}/{c}^{2}$ mass WIMP is expected. With underground installation well underway, LZ is on track for commissioning at SURF in 2020.

We present experimental constraints on the spin-dependent WIMP-nucleon elastic cross sections from the total 129.5 kg-year exposure acquired by the Large Underground Xenon experiment (LUX), operating at the Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota (USA). A profile likelihood ratio analysis allows 90% CL upper limits to be set on the WIMP-neutron (WIMP-proton) cross section of $\sigma_n$ = 1.6$\times 10^{-41}$ cm$^{2}$ ($\sigma_p$ = 5$\times 10^{-40}$ cm$^{2}$) at 35 GeV$c^{-2}$, almost a sixfold improvement over the previous LUX spin-dependent results. The spin-dependent WIMP-neutron limit is the most sensitive constraint to date.

The ZEPLIN-III experiment in the Palmer Underground Laboratory at Boulby uses a 12 kg two-phase xenon time-projection chamber to search for the weakly interacting massive particles (WIMPs) that may account for the dark matter of our Galaxy. The detector measures both scintillation and ionization produced by radiation interacting in the liquid to differentiate between the nuclear recoils expected from WIMPs and the electron-recoil background signals down to $\ensuremath{\sim}10\text{ }\text{ }\mathrm{keV}$ nuclear-recoil energy. An analysis of $847\text{ }\text{ }\mathrm{kg}\ifmmode\cdot\else\textperiodcentered\fi{}\mathrm{days}$ of data acquired between February 27, 2008, and May 20, 2008, has excluded a WIMP-nucleon elastic scattering spin-independent cross section above $8.1\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}8}\text{ }\text{ }\mathrm{pb}$ at $60\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}{c}^{\ensuremath{-}2}$ with a 90% confidence limit. It has also demonstrated that the two-phase xenon technique is capable of better discrimination between electron and nuclear recoils at low-energy than previously achieved by other xenon-based experiments.

We present new experimental constraints on the WIMP-nucleon spin-dependent elastic cross sections using data from the first science run of ZEPLIN-III, a two-phase xenon experiment searching for galactic dark matter weakly interacting massive particles based at the Boulby mine. Analysis of ∼450 kg·days fiducial exposure allow us to place a 90%-confidence upper limit on the pure WIMP-neutron cross section of σn=1.9×10−2 pb at 55 GeV/c2 WIMP mass. Recent calculations of the nuclear spin structure based on the Bonn charge-dependent nucleon-nucleon potential were used for the odd-neutron isotopes Xe129 and Xe131. These indicate that the sensitivity of xenon targets to the spin-dependent WIMP-proton interaction could be much lower than implied by previous calculations, whereas the WIMP-neutron sensitivity is impaired only by a factor of ∼2.Received 27 January 2009DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.151302©2009 American Physical Society

The first underground data run of the ZEPLIN-II experiment has set a limit on the nuclear recoil rate in the two-phase xenon detector for direct dark matter searches. In this Letter the results from this run are converted into the limits on spin-dependent WIMP-proton and WIMP-neutron cross-sections. The minimum of the curve for WIMP-neutron cross-section corresponds to 7×10−2 pb at a WIMP mass of around 65 GeV.

We present results from a GEANT4-based Monte Carlo tool for end-to-end simulations of the ZEPLIN-III dark matter experiment. ZEPLIN-III is a two-phase detector which measures both the scintillation light and the ionisation charge generated in liquid xenon by interacting particles and radiation. The software models the instrument response to radioactive backgrounds and calibration sources, including the generation, ray-tracing and detection of the primary and secondary scintillations in liquid and gaseous xenon, and subsequent processing by data acquisition electronics. A flexible user interface allows easy modification of detector parameters at run time. Realistic datasets can be produced to help with data analysis, an example of which is the position reconstruction algorithm developed from simulated data. We present a range of simulation results confirming the original design sensitivity of a few times 10−8 pb to the WIMP-nucleon cross-section.