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 report first results from the ZEPLIN I dark matter detector, based on measurement of scintillation pulse shapes in a liquid xenon target of 3.2 kg fiducial mass. Neutron calibration shows nuclear recoil pulses to have a time constant ≅ 0.5 that of gamma and beta background events. The detector is located in the 2800 mwe depth UK Boulby Mine, and is surrounded by a liquid scintillator Compton veto and passive lead shielding. Three runs totaling 293 kg d fiducial exposure yielded data consistent with a single population of background pulses, with no significant low energy population of shorter pulses. From the 90% confidence limit on the latter a limit is derived on the spin-independent WIMP-nucleon cross-section versus particle mass with a minimum at 1.1 × 10−6 pb.

The NAIAD experiment (NaI Advanced Detector) for WIMP dark matter searches at the Boulby Underground Laboratory (North Yorkshire, UK) ran from 2000 until 2003. A total of 44.9 kg x years of data collected with 2 encapsulated and 4 unencapsulated NaI(Tl) crystals with high light yield were included in the analysis. We present final results of this analysis carried out using pulse shape discrimination. No signal associated with nuclear recoils from WIMP interactions was observed in any run with any crystal. This allowed us to set upper limits on the WIMP-nucleon spin-independent and WIMP-proton spin-dependent cross-sections. The NAIAD experiment has so far imposed the most stringent constraints on the spin-dependent WIMP-proton cross-section.

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

A table-top plasma focus device is shown to be an ideal neutron source for the calibration and characterization of dark matter detectors and has been optimized to produce a maximum yield of 2.0×107 neutrons per shot. The interaction of energetic neutrons is similar to that expected from weakly interacting massive particles (WIMPs)—a favored candidate for the dominant component of dark matter in the universe. The weak interaction of a neutron with liquid xenon gas was measured in a prototype xenon two-phase detector. We have developed a detector system in which both the primary scintillation and ionization from the initial interaction can be detected. Both measurements are critical for identifying WIMP’s.

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.

A set of 35 photomultiplier tubes (ETL D730/9829Q), intended for use in the ZEPLIN III Dark Matter detector, was tested from room temperature down to −100°C, with the aim of confirming their suitability for detecting xenon scintillation light at 175nm while immersed in the cryogenic liquid. A general improvement of both gain and quantum efficiency at the xenon scintillation wavelength was observed with cooling, the best combined effect being 40%, while little change was noted in the timing properties and dark current. Saturation of response due to accumulation of charge in the resistive bialkali photocathodes was seen at an average photocurrent of 108photoelectrons/s for the device with best quantum efficiency, whereas an order of magnitude higher current was required to saturate the least sensitive one. Variations in photocathode thickness from tube to tube could account for this behaviour, as well as the fact that the quantum efficiency improves the most for devices with poorest efficiency at room temperature.

The status of dark matter searches with inorganic scintillator detectors at Boulby mine is reviewed and the results of tests with a CsI(Tl) crystal are presented. The objectives of the latter experiment were to study anomalous fast events previously observed and to identify ways to remove this background. Clear indications were found that these events were due to surface contamination of crystals by alphas, probably from radon decay. A new array of unencapsulated NaI(Tl) crystals immersed either in liquid paraffin or pure nitrogen atmosphere is under construction at Boulby. Such an approach allows complete control of the surface of the crystals and the ability to remove any surface contamination. First data from the unencapsulated NaI(Tl) do not show the presence of anomalous fast events.

A Liquid Xenon based WIMP detector diagnostic array is currently developed by the UKDMC with the help of international collaborators. After a brief reminder on the detection principle in Liquid Xenon, the individual detectors will be described. ZEPLIN I, a detector with a 4 kg fiducial mass with a background discrimination based on Pulse Shape Analysis, is already underground and starting operation. Two setups with improved background discrimination tools (as the ionisation is also recorded) are designed and scheduled to move underground in the second half of 2001. Both of them, ZEPLIN II and ZEPLIN III, are predicted to be sensitive to rate of 0.1–0.01 events/kg/day within 2 years of data taking. Furthermore, new ideas for lower background readout devices are studied, in order to avoid the use of PhotoMultiplier Tubes (PMTs).