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/$c^2$.

Abstract Radiation therapy (RT) remains a common treatment for cancer patients worldwide, despite the development of targeted biological compounds and immunotherapeutic drugs. The challenge in RT lies in delivering a lethal dose to the cancerous site while sparing the surrounding healthy tissues. Low linear energy transfer (low-LET) and high linear energy transfer (high-LET) radiations have distinct effects on cells. High-LET radiation, such as alpha particles, induces clustered DNA double-strand breaks (DSBs), potentially inducing cell death more effectively. However, due to limited range, alpha-particle therapies have been restricted. In human cancer, mutations in TP53 (encoding for the p53 tumor suppressor) are the most common genetic alteration. It was previously reported that cells carrying wild-type (WT) p53 exhibit accelerated senescence and significant rates of apoptosis in response to RT, whereas cells harboring mutant p53 (mutp53) do not. This study investigated the combination of the alpha-emitting atoms RT based on internal Radium-224 ( 224 Ra) sources and systemic APR-246 (a p53 reactivating compound) to treat tumors with mutant p53. Cellular models of colorectal cancer (CRC) or pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) harboring mutant p53, were exposed to alpha particles, and tumor xenografts with mutant p53 were treated using 224 Ra source and APR-246. Effects on cell survival and tumor growth, were assessed. The spread of alpha emitters in tumors was also evaluated as well as the spatial distribution of apoptosis within the treated tumors. We show that mutant p53 cancer cells exhibit radio-sensitivity to alpha particles in vitro and to alpha-particles-based RT in vivo. APR-246 treatment enhanced sensitivity to alpha radiation, leading to reduced tumor growth and increased rates of tumor eradication. Combining alpha-particles-based RT with p53 restoration via APR-246 triggered cell death, resulting in improved therapeutic outcomes. Further preclinical and clinical studies are needed to provide a promising approach for improving treatment outcomes in patients with mutant p53 tumors.

A bstract The NEXT-White detector, a high-pressure gaseous xenon time projection chamber, demonstrated the excellence of this technology for future neutrinoless double beta decay searches using photomultiplier tubes (PMTs) to measure energy and silicon photomultipliers (SiPMs) to extract topology information. This analysis uses 83 m Kr data from the NEXT-White detector to measure and understand the energy resolution that can be obtained with the SiPMs, rather than with PMTs. The energy resolution obtained of (10.9 ± 0.6)%, full-width half-maximum, is slightly larger than predicted based on the photon statistics resulting from very low light detection coverage of the SiPM plane in the NEXT-White detector. The difference in the predicted and measured resolution is attributed to poor corrections, which are expected to be improved with larger statistics. Furthermore, the noise of the SiPMs is shown to not be a dominant factor in the energy resolution and may be negligible when noise subtraction is applied appropriately, for high-energy events or larger SiPM coverage detectors. These results, which are extrapolated to estimate the response of large coverage SiPM planes, are promising for the development of future, SiPM-only, readout planes that can offer imaging and achieve similar energy resolution to that previously demonstrated with PMTs.

Abstract The imaging of individual Ba 2+ ions in high pressure xenon gas is one possible way to attain background-free sensitivity to neutrinoless double beta decay and hence establish the Majorana nature of the neutrino. In this paper we demonstrate selective single Ba 2+ ion imaging inside a high-pressure xenon gas environment. Ba 2+ ions chelated with molecular chemosensors are resolved at the gas-solid interface using a diffraction-limited imaging system with scan area of 1 × 1 cm 2 located inside 10 bar of xenon gas. This form of microscopy represents key ingredient in the development of barium tagging for neutrinoless double beta decay searches in 136 Xe. This also provides a new tool for studying the photophysics of fluorescent molecules and chemosensors at the solid-gas interface to enable bottom-up design of catalysts and sensors.

Abstract Purpose Diffusing alpha-emitters Radiation Therapy (“Alpha DaRT”) is a new cancer treatment modality that employs radium-224-loaded metal sources implanted in solid tumors to disperse alpha-emitting atoms within a therapeutic “kill-zone” of a few millimeters around each source. Preclinical studies have demonstrated tumor growth delay in various cancer types, including glioblastoma multiforme, and the method is used in clinical trials for patients with skin and head and neck cancer. This study aims to assess the safety and feasibility of implementing Alpha DaRT for brain tumor treatment in a large animal model. Methods Alpha-DaRT sources were delivered via image-guided stereotactic implantation into both hemispheres of eight swine. 1–3 layers of radial deployment of 7 sources were delivered through a single penetration point into each hemisphere. A 90-day follow-up period included clinical evaluation, brain MRI, head CT, blood, CSF, urine, and feces sampling, and an analysis of source location over time. Brain tissue pathology was performed on termination. Results Alpha-DaRT sources were reproducibly and efficiently delivered to the brain cortex and subcortex. No unexpected abnormalities were detected in blood or CSF samples. MRI and CT scans revealed no evidence of major bleeding or infection. Measurements of 212 Pb in blood and CSF exhibited the expected exponential decay from day 7 to day 14 post-source implantation. Minimal spatial and temporal movements of the sources were noted. Histopathological analysis demonstrated locally confined findings in brain parenchyma in a very close proximity to the sources. Conclusion Alpha - DaRT sources can be safely delivered into a large animal brain using image-guided stereotactic implantation. These findings support further exploration of Alpha DaRT as a potential treatment modality for brain tumors.