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 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 XENON1T experiment at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) is the first WIMP dark matter detector operating with a liquid xenon target mass above the ton-scale. Out of its 3.2t liquid xenon inventory, 2.0t constitute the active target of the dual-phase time projection chamber. The scintillation and ionization signals from particle interactions are detected with low-background photomultipliers. This article describes the XENON1T instrument and its subsystems as well as strategies to achieve an unprecedented low background level. First results on the detector response and the performance of the subsystems are also presented.

We report the first experimental results on spin-dependent elastic weakly interacting massive particle (WIMP) nucleon scattering from the XENON1T dark matter search experiment. The analysis uses the full ton year exposure of XENON1T to constrain the spin-dependent proton-only and neutron-only cases. No significant signal excess is observed, and a profile likelihood ratio analysis is used to set exclusion limits on the WIMP-nucleon interactions. This includes the most stringent constraint to date on the WIMP-neutron cross section, with a minimum of 6.3×10^{-42} cm^{2} at 30 GeV/c^{2} and 90% confidence level. The results are compared with those from collider searches and used to exclude new parameter space in an isoscalar theory with an axial-vector mediator.

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.