We report on a search for weakly interacting massive particles (WIMPs) using 278.8 days of data collected with the XENON1T experiment at LNGS. XENON1T utilizes a liquid xenon time projection chamber with a fiducial mass of (1.30±0.01) ton, resulting in a 1.0 ton yr exposure. The energy region of interest, [1.4,10.6] keV_{ee} ([4.9,40.9] keV_{nr}), exhibits an ultralow electron recoil background rate of [82_{-3}^{+5}(syst)±3(stat)] events/(ton yr keV_{ee}). No significant excess over background is found, and a profile likelihood analysis parametrized in spatial and energy dimensions excludes new parameter space for the WIMP-nucleon spin-independent elastic scatter cross section for WIMP masses above 6 GeV/c^{2}, with a minimum of 4.1×10^{-47} cm^{2} at 30 GeV/c^{2} and a 90% confidence level.

We report the first dark matter search results from XENON1T, a ∼2000-kg-target-mass dual-phase (liquid-gas) xenon time projection chamber in operation at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy and the first ton-scale detector of this kind. The blinded search used 34.2 live days of data acquired between November 2016 and January 2017. Inside the (1042±12)-kg fiducial mass and in the [5,40] keV_{nr} energy range of interest for weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter searches, the electronic recoil background was (1.93±0.25)×10^{-4} events/(kg×day×keV_{ee}), the lowest ever achieved in such a dark matter detector. A profile likelihood analysis shows that the data are consistent with the background-only hypothesis. We derive the most stringent exclusion limits on the spin-independent WIMP-nucleon interaction cross section for WIMP masses above 10 GeV/c^{2}, with a minimum of 7.7×10^{-47} cm^{2} for 35-GeV/c^{2} WIMPs at 90% C.L.

The coherent elastic scattering of neutrinos off nuclei has eluded detection for four decades, even though its predicted cross section is by far the largest of all low-energy neutrino couplings. This mode of interaction offers new opportunities to study neutrino properties and leads to a miniaturization of detector size, with potential technological applications. We observed this process at a 6.7σ confidence level, using a low-background, 14.6-kilogram CsI[Na] scintillator exposed to the neutrino emissions from the Spallation Neutron Source at Oak Ridge National Laboratory. Characteristic signatures in energy and time, predicted by the standard model for this process, were observed in high signal-to-background conditions. Improved constraints on nonstandard neutrino interactions with quarks are derived from this initial data set.

DARk matter WImp search with liquid xenoN (DARWIN) will be an experiment for the direct detection of dark matter using a multi-ton liquid xenon time projection chamber at its core. Its primary goal will be to explore the experimentally accessible parameter space for Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) in a wide mass-range, until neutrino interactions with the target become an irreducible background. The prompt scintillation light and the charge signals induced by particle interactions in the xenon will be observed by VUV sensitive, ultra-low background photosensors. Besides its excellent sensitivity to WIMPs above a mass of 5 GeV/c2, such a detector with its large mass, low-energy threshold and ultra-low background level will also be sensitive to other rare interactions. It will search for solar axions, galactic axion-like particles and the neutrinoless double-beta decay of 136Xe, as well as measure the low-energy solar neutrino flux with < 1% precision, observe coherent neutrino-nucleus interactions, and detect galactic supernovae. We present the concept of the DARWIN detector and discuss its physics reach, the main sources of backgrounds and the ongoing detector design and R&D efforts.

The XENON1T experiment is currently in the commissioning phase at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy. In this article we study the experiment's expected sensitivity to the spin-independent WIMP-nucleon interaction cross section, based on Monte Carlo predictions of the electronic and nuclear recoil backgrounds. The total electronic recoil background in $1$ tonne fiducial volume and ($1$, $12$) keV electronic recoil equivalent energy region, before applying any selection to discriminate between electronic and nuclear recoils, is $(1.80 \pm 0.15) \cdot 10^{-4}$ ($\rm{kg} \cdot day \cdot keV)^{-1}$, mainly due to the decay of $^{222}\rm{Rn}$ daughters inside the xenon target. The nuclear recoil background in the corresponding nuclear recoil equivalent energy region ($4$, $50$) keV, is composed of $(0.6 \pm 0.1)$ ($\rm{t} \cdot y)^{-1}$ from radiogenic neutrons, $(1.8 \pm 0.3) \cdot 10^{-2}$ ($\rm{t} \cdot y)^{-1}$ from coherent scattering of neutrinos, and less than $0.01$ ($\rm{t} \cdot y)^{-1}$ from muon-induced neutrons. The sensitivity of XENON1T is calculated with the Profile Likelihood Ratio method, after converting the deposited energy of electronic and nuclear recoils into the scintillation and ionization signals seen in the detector. We take into account the systematic uncertainties on the photon and electron emission model, and on the estimation of the backgrounds, treated as nuisance parameters. The main contribution comes from the relative scintillation efficiency $\mathcal{L}_\mathrm{eff}$, which affects both the signal from WIMPs and the nuclear recoil backgrounds. After a $2$ y measurement in $1$ t fiducial volume, the sensitivity reaches a minimum cross section of $1.6 \cdot 10^{-47}$ cm$^2$ at m$_χ$=$50$ GeV/$c^2$.

We report results from searches for new physics with low-energy electronic recoil data recorded with the XENON1T detector. With an exposure of 0.65 tonne-years and an unprecedentedly low background rate of 76±2stat events/(tonne×year×keV) between 1 and 30 keV, the data enable one of the most sensitive searches for solar axions, an enhanced neutrino magnetic moment using solar neutrinos, and bosonic dark matter. An excess over known backgrounds is observed at low energies and most prominent between 2 and 3 keV. The solar axion model has a 3.4σ significance, and a three-dimensional 90% confidence surface is reported for axion couplings to electrons, photons, and nucleons. This surface is inscribed in the cuboid defined by gae<3.8×10−12, gaegeffan<4.8×10−18, and gaegaγ<7.7×10−22 GeV−1, and excludes either gae=0 or gaegaγ=gaegeffan=0. The neutrino magnetic moment signal is similarly favored over background at 3.2σ, and a confidence interval of μν∈(1.4,2.9)×10−11 μB (90% C.L.) is reported. Both results are in strong tension with stellar constraints. The excess can also be explained by β decays of tritium at 3.2σ significance with a corresponding tritium concentration in xenon of (6.2±2.0)×10−25 mol/mol. Such a trace amount can neither be confirmed nor excluded with current knowledge of its production and reduction mechanisms. The significances of the solar axion and neutrino magnetic moment hypotheses are decreased to 2.0σ and 0.9σ, respectively, if an unconstrained tritium component is included in the fitting. With respect to bosonic dark matter, the excess favors a monoenergetic peak at (2.3±0.2) keV (68% C.L.) with a 3.0σ global (4.0σ local) significance over background. This analysis sets the most restrictive direct constraints to date on pseudoscalar and vector bosonic dark matter for most masses between 1 and 210 keV/c2. We also consider the possibility that 37Ar may be present in the detector, yielding a 2.82 keV peak from electron capture. Contrary to tritium, the 37Ar concentration can be tightly constrained and is found to be negligible.8 MoreReceived 30 June 2020Accepted 16 September 2020DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.102.072004Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP3.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasAxionsBeta decayMagnetic momentParticle astrophysicsParticle dark matterSolar neutrinosTechniquesDark matter detectorsMulti-purpose particle detectorsParticles & FieldsNuclear Physics

The XENON100 experiment, in operation at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy, is designed to search for dark matter WIMPs scattering off 62 kg of liquid xenon in an ultra-low background dual-phase time projection chamber. In this letter, we present first dark matter results from the analysis of 11.17 live days of non-blind data, acquired in October and November 2009. In the selected fiducial target of 40 kg, and within the pre-defined signal region, we observe no events and hence exclude spin-independent WIMP-nucleon elastic scattering cross-sections above 3.4 x 10^-44 cm^2 for 55 GeV/c^2 WIMPs at 90% confidence level. Below 20 GeV/c^2, this result constrains the interpretation of the CoGeNT and DAMA signals as being due to spin-independent, elastic, light mass WIMP interactions.

We report constraints on light dark matter (DM) models using ionization signals in the XENON1T experiment. We mitigate backgrounds with strong event selections, rather than requiring a scintillation signal, leaving an effective exposure of (22±3) tonne day. Above ∼0.4 keVee, we observe <1 event/(tonne day keVee), which is more than 1000 times lower than in similar searches with other detectors. Despite observing a higher rate at lower energies, no DM or CEvNS detection may be claimed because we cannot model all of our backgrounds. We thus exclude new regions in the parameter spaces for DM-nucleus scattering for DM masses mχ within 3–6 GeV/c2, DM-electron scattering for mχ>30 MeV/c2, and absorption of dark photons and axionlike particles for mχ within 0.186–1 keV/c2.Received 29 July 2019Revised 7 November 2019DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.251801Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP3.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasDark matterParticle dark matterPhysical SystemsWeakly interacting massive particlesTechniquesDark matter detectorsTime-projection chambersGravitation, Cosmology & AstrophysicsParticles & Fields

The XENON100 dark matter experiment uses liquid xenon (LXe) in a time projection chamber (TPC) to search for Xe nuclear recoils resulting from the scattering of dark matter Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). In this paper we present a detailed description of the detector design and present performance results, as established during the commissioning phase and during the first science runs. The active target of XENON100 contains 62 kg of LXe, surrounded by an LXe veto of 99 kg, both instrumented with photomultiplier tubes (PMTs) operating inside the liquid or in Xe gas. The LXe target and veto are contained in a low-radioactivity stainless steel vessel, embedded in a passive radiation shield. The experiment is installed underground at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), Italy and has recently published results from a 100 live-days dark matter search. The ultimate design goal of XENON100 is to achieve a spin-independent WIMP-nucleon scattering cross section sensitivity of \sigma = 2x10^-45 cm^2 for a 100 GeV/c^2 WIMP.

XENONnT is a dark matter direct detection experiment, utilizing 5.9 t of instrumented liquid xenon, located at the INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso. In this work, we predict the experimental background and project the sensitivity of XENONnT to the detection of weakly interacting massive particles (WIMPs). The expected average differential background rate in the energy region of interest, corresponding to (1, 13) keV and (4, 50) keV for electronic and nuclear recoils, amounts to $12.3 \pm 0.6$ (keV t y)$^{-1}$ and $(2.2\pm 0.5)\times 10^{-3}$ (keV t y)$^{-1}$, respectively, in a 4 t fiducial mass. We compute unified confidence intervals using the profile construction method, in order to ensure proper coverage. With the exposure goal of 20 t$\,$y, the expected sensitivity to spin-independent WIMP-nucleon interactions reaches a cross-section of $1.4\times10^{-48}$ cm$^2$ for a 50 GeV/c$^2$ mass WIMP at 90% confidence level, more than one order of magnitude beyond the current best limit, set by XENON1T. In addition, we show that for a 50 GeV/c$^2$ WIMP with cross-sections above $2.6\times10^{-48}$ cm$^2$ ($5.0\times10^{-48}$ cm$^2$) the median XENONnT discovery significance exceeds 3$\sigma$ (5$\sigma$). The expected sensitivity to the spin-dependent WIMP coupling to neutrons (protons) reaches $2.2\times10^{-43}$ cm$^2$ ($6.0\times10^{-42}$ cm$^2$).