Projected WIMP sensitivity of the XENONnT dark matter experiment
E. Aprile
,
J. Aalbers
,
F. Agostini
,
M. Alfonsi
,
L. Althueser
,
F.D. Amaro
,
V.C. Antochi
,
E. Angelino
,
J.R. Angevaare
,
F. Arneodo
,
D. Barge
,
L. Baudis
,
B. Bauermeister
,
L. Bellagamba
,
M.L. Benabderrahmane
,
T. Berger
,
A. Brown
,
E. Brown
,
S. Bruenner
,
G. Bruno
,
R. Budnik
,
C. Capelli
,
J.M.R. Cardoso
,
D. Cichon
,
B. Cimmino
,
M. Clark
,
D. Coderre
,
A.P. Colijn
,
J. Conrad
,
J.P. Cussonneau
(1)
,
M.P. Decowski
,
A. Depoian
,
P. Di Gangi
,
A. Di Giovanni
,
R. Di Stefano
,
S. Diglio
(1)
,
A. Elykov
,
G. Eurin
,
A.D. Ferella
,
W. Fulgione
,
P. Gaemers
,
R. Gaior
(2)
,
M. Galloway
,
F. Gao
,
L. Grandi
,
C. Hasterok
,
C. Hils
,
K. Hiraide
,
L. Hoetzsch
,
J. Howlett
,
M. Iacovacci
,
Y. Itow
,
F. Joerg
,
N. Kato
,
S. Kazama
,
M. Kobayashi
,
G. Koltman
,
A. Kopec
,
H. Landsman
,
R.F. Lang
,
L. Levinson
,
Q. Lin
,
S. Lindemann
,
M. Lindner
,
F. Lombardi
,
J. Long
,
J.A.M. Lopes
,
E. López Fune
(2)
,
C. Macolino
(3)
,
J. Mahlstedt
,
A. Mancuso
,
L. Manenti
,
A. Manfredini
,
F. Marignetti
,
T. Marrodán Undagoitia
,
K. Martens
,
J. Masbou
(1)
,
D. Masson
,
S. Mastroianni
,
M. Messina
,
K. Miuchi
,
K. Mizukoshi
,
A. Molinario
,
K. Morå
,
S. Moriyama
,
Y. Mosbacher
,
M. Murra
,
J. Naganoma
,
K. Ni
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U. Oberlack
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K. Odgers
,
J. Palacio
(1)
,
B. Pelssers
,
R. Peres
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J. Pienaar
,
V. Pizzella
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G. Plante
,
J. Qin
,
H. Qiu
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D. Ramírez García
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S. Reichard
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A. Rocchetti
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N. Rupp
,
J.M.F. dos Santos
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G. Sartorelli
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N. Šarčević
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M. Scheibelhut
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J. Schreiner
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D. Schulte
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M. Schumann
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L. Scotto Lavina
(2)
,
M. Selvi
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E. Shockley
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M. Silva
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H. Simgen
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A. Takeda
,
C. Therreau
(1)
,
Dominique Thers
(1)
,
F. Toschi
,
G. Trinchero
,
C. Tunnell
,
K. Valerius
,
M. Vargas
,
G. Volta
,
H. Wang
,
Y. Wei
,
C. Weinheimer
,
M. Weiss
,
D. Wenz
,
C. Wittweg
,
Z. Xu
,
M. Yamashita
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J. Ye
,
G. Zavattini
,
Y. Zhang
,
T. Zhu
,
J.P. Zopounidis.
(2)
E. Aprile
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J. Aalbers
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F. Agostini
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M. Alfonsi
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L. Althueser
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Résumé
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 ± 0.6 (keV t y)-1 and (2.2± 0.5)× 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 1.4×10−48 cm2 for a 50 GeV/c2 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/c2 WIMP with cross-sections above 2.6×10−48 cm2 (5.0×10−48 cm2) the median XENONnT discovery significance exceeds 3σ (5σ). The expected sensitivity to the spin-dependent WIMP coupling to neutrons (protons) reaches 2.2×10−43 cm2 (6.0×10−42 cm2).
Domaines
Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det] Astrophysique [astro-ph] Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]Format du dépôt | Notice |
---|---|
Type de dépôt | Article dans une revue |
Résumé |
en
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 ± 0.6 (keV t y)-1 and (2.2± 0.5)× 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 1.4×10−48 cm2 for a 50 GeV/c2 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/c2 WIMP with cross-sections above 2.6×10−48 cm2 (5.0×10−48 cm2) the median XENONnT discovery significance exceeds 3σ (5σ). The expected sensitivity to the spin-dependent WIMP coupling to neutrons (protons) reaches 2.2×10−43 cm2 (6.0×10−42 cm2).
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Titre |
en
Projected WIMP sensitivity of the XENONnT dark matter experiment
|
Auteur(s) |
E. Aprile
, J. Aalbers
, F. Agostini
, M. Alfonsi
, L. Althueser
, F.D. Amaro
, V.C. Antochi
, E. Angelino
, J.R. Angevaare
, F. Arneodo
, D. Barge
, L. Baudis
, B. Bauermeister
, L. Bellagamba
, M.L. Benabderrahmane
, T. Berger
, A. Brown
, E. Brown
, S. Bruenner
, G. Bruno
, R. Budnik
, C. Capelli
, J.M.R. Cardoso
, D. Cichon
, B. Cimmino
, M. Clark
, D. Coderre
, A.P. Colijn
, J. Conrad
, J.P. Cussonneau
1
, M.P. Decowski
, A. Depoian
, P. Di Gangi
, A. Di Giovanni
, R. Di Stefano
, S. Diglio
1
, A. Elykov
, G. Eurin
, A.D. Ferella
, W. Fulgione
, P. Gaemers
, R. Gaior
2
, M. Galloway
, F. Gao
, L. Grandi
, C. Hasterok
, C. Hils
, K. Hiraide
, L. Hoetzsch
, J. Howlett
, M. Iacovacci
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, F. Joerg
, N. Kato
, S. Kazama
, M. Kobayashi
, G. Koltman
, A. Kopec
, H. Landsman
, R.F. Lang
, L. Levinson
, Q. Lin
, S. Lindemann
, M. Lindner
, F. Lombardi
, J. Long
, J.A.M. Lopes
, E. López Fune
2
, C. Macolino
3
, J. Mahlstedt
, A. Mancuso
, L. Manenti
, A. Manfredini
, F. Marignetti
, T. Marrodán Undagoitia
, K. Martens
, J. Masbou
1
, D. Masson
, S. Mastroianni
, M. Messina
, K. Miuchi
, K. Mizukoshi
, A. Molinario
, K. Morå
, S. Moriyama
, Y. Mosbacher
, M. Murra
, J. Naganoma
, K. Ni
, U. Oberlack
, K. Odgers
, J. Palacio
1
, B. Pelssers
, R. Peres
, J. Pienaar
, V. Pizzella
, G. Plante
, J. Qin
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, D. Ramírez García
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, G. Sartorelli
, N. Šarčević
, M. Scheibelhut
, J. Schreiner
, D. Schulte
, M. Schumann
, L. Scotto Lavina
2
, M. Selvi
, F. Semeria
, P. Shagin
, E. Shockley
, M. Silva
, H. Simgen
, A. Takeda
, C. Therreau
1
, Dominique Thers
1
, F. Toschi
, G. Trinchero
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, K. Valerius
, M. Vargas
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, H. Wang
, Y. Wei
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, M. Weiss
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, Z. Xu
, M. Yamashita
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, T. Zhu
, J.P. Zopounidis.
2
1
SUBATECH -
Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées
( 493487 )
- IMT Atlantique - Campus de Nantes - La Chantrerie - 4, rue Alfred Kastler - CS 20722 - 44307 NANTES Cedex 3
- France
2
LPNHE (UMR_7585) -
Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies
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- Barre 12-22, 1er étage 4 Place Jussieu 75252 Paris Cedex 05
- France
3
IJCLab -
Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
( 578151 )
- Bât. 100 et 200, 15 rue Georges Clémenceau 91405 Orsay
- France
|
Nom de la revue |
|
Langue du document |
Anglais
|
Vulgarisation |
Non
|
Comité de lecture |
Oui
|
Audience |
Internationale
|
Date de publication |
2020
|
Volume |
11
|
Page/Identifiant |
031
|
Domaine(s) |
|
Collaboration/Projet |
|
Mots-clés |
en
xenon: liquid, sensitivity, background, data analysis method, activity report, XENON, WIMP: dark matter, dark matter: direct detection, WIMP nucleon: scattering, nucleus: recoil, electron: recoil
|
arXiv Id | 2007.08796 |
DOI | 10.1088/1475-7516/2020/11/031 |
inSPIRE HEP | 1807808 |
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