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.

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

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

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$^2$).

Direct dark matter detection experiments based on a liquid xenon target are leading the search for dark matter particles with masses above $\sim$ 5 GeV/c$^2$, but have limited sensitivity to lighter masses because of the small momentum transfer in dark matter-nucleus elastic scattering. However, there is an irreducible contribution from inelastic processes accompanying the elastic scattering, which leads to the excitation and ionization of the recoiling atom (the Migdal effect) or the emission of a Bremsstrahlung photon. In this letter, we report on a probe of low-mass dark matter with masses down to about 85 MeV/c$^2$ by looking for electronic recoils induced by the Migdal effect and Bremsstrahlung, using data from the XENON1T experiment. Besides the approach of detecting both scintillation and ionization signals, we exploit an approach that uses ionization signals only, which allows for a lower detection threshold. This analysis significantly enhances the sensitivity of XENON1T to light dark matter previously beyond its reach.

We present the first measurement of nuclear recoils from solar $^8$B neutrinos via coherent elastic neutrino-nucleus scattering with the XENONnT dark matter experiment. The central detector of XENONnT is a low-background, two-phase time projection chamber with a 5.9 t sensitive liquid xenon target. A blind analysis with an exposure of 3.51 t$\times$yr resulted in 37 observed events above 0.5 keV, with ($26.4^{+1.4}_{-1.3}$) events expected from backgrounds. The background-only hypothesis is rejected with a statistical significance of 2.73 $\sigma$. The measured $^8$B solar neutrino flux of $(4.7_{-2.3}^{+3.6})\times 10^6 \mathrm{cm}^{-2}\mathrm{s}^{-1}$ is consistent with results from the Sudbury Neutrino Observatory. The measured neutrino flux-weighted CE$\nu$NS cross section on Xe of $(1.1^{+0.8}_{-0.5})\times10^{-39} \mathrm{cm}^2$ is consistent with the Standard Model prediction. This is the first direct measurement of nuclear recoils from solar neutrinos with a dark matter detector.

In this work, we expand on the XENON1T nuclear recoil searches to study the individual signals of dark matter interactions from operators up to dimension eight in a chiral effective field theory (ChEFT) and a model of inelastic dark matter (iDM). We analyze data from two science runs of the XENON1T detector totaling 1  t×yr exposure. For these analyses, we extended the region of interest from [4.9,40.9]  keVNR to [4.9,54.4]  keVNR to enhance our sensitivity for signals that peak at nonzero energies. We show that the data are consistent with the background-only hypothesis, with a small background overfluctuation observed peaking between 20 and 50  keVNR, resulting in a maximum local discovery significance of 1.7σ for the Vector⊗Vectorstrange ChEFT channel for a dark matter particle of 70  GeV/c2 and 1.8σ for an iDM particle of 50  GeV/c2 with a mass splitting of 100  keV/c2. For each model, we report 90% confidence level upper limits. We also report upper limits on three benchmark models of dark matter interaction using ChEFT where we investigate the effect of isospin-breaking interactions. We observe rate-driven cancellations in regions of the isospin-breaking couplings, leading to up to 6 orders of magnitude weaker upper limits with respect to the isospin-conserving case. Published by the American Physical Society 2024

The multi-staged XENON program at INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso aims to detect dark matter with two-phase liquid xenon time projection chambers of increasing size and sensitivity. The XENONnT experiment is the latest detector in the program, planned to be an upgrade of its predecessor XENON1T. It features an active target of 5.9 tonnes of cryogenic liquid xenon (8.5 tonnes total mass in cryostat). The experiment is expected to extend the sensitivity to WIMP dark matter by more than an order of magnitude compared to XENON1T, thanks to the larger active mass and the significantly reduced background, improved by novel systems such as a radon removal plant and a neutron veto. This article describes the XENONnT experiment and its sub-systems in detail and reports on the detector performance during the first science run.

This paper details the first application of a software tagging algorithm to reduce radon-induced backgrounds in liquid noble element time projection chambers, such as XENON1T and XENONnT. The convection velocity field in XENON1T was mapped out using Rn222 and Po218 events, and the rms convection speed was measured to be 0.30±0.01  cm/s. Given this velocity field, Pb214 background events can be tagged when they are followed by Bi214 and Po214 decays, or preceded by Po218 decays. This was achieved by evolving a point cloud in the direction of a measured convection velocity field, and searching for Bi214 and Po214 decays or Po218 decays within a volume defined by the point cloud. In XENON1T, this tagging system achieved a Pb214 background reduction of 6.2−0.9+0.4% with an exposure loss of 1.8±0.2%, despite the timescales of convection being smaller than the relevant decay times. We show that the performance can be improved in XENONnT, and that the performance of such a software-tagging approach can be expected to be further improved in a diffusion-limited scenario. Finally, a similar method might be useful to tag the cosmogenic Xe137 background, which is relevant to the search for neutrinoless double-beta decay. Published by the American Physical Society 2024