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 $13.1 \pm 0.6$ (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$^2$).

中文翻译：

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XENONnT 暗物质实验的预计 WIMP 灵敏度

XENONnT 是暗物质直接探测实验，使用 5.9 吨仪器化液态氙，位于 INFN 国家实验室。在这项工作中，我们预测了实验背景并预测了 XENONnT 对弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 检测的敏感性。感兴趣的能量区域的预期平均差分背景率，对应于电子和核反冲的 (1, 13) keV 和 (4, 50) keV，总计 $13.1 \pm 0.6$ (keV ty)$^{-1 }$ 和 $(2.2\pm 0.5)\times 10^{-3}$ (keV ty)$^{-1}$，分别为 4 t 基准质量。我们使用剖面构造方法计算统一的置信区间，以确保适当的覆盖。以 20 t$\,$y 的曝光目标，对于 50 GeV/c$^2$ 质量的 WIMP，在 90% 的置信水平下，对自旋无关 WIMP-核子相互作用的预期敏感性达到 $1.4\times10^{-48}$cm$^2$，更多比 XENON1T 设置的当前最佳限制高出一个数量级。此外，我们表明，对于横截面高于 $2.6\times10^{-48}$ cm$^2$ ($5.0\times10^{-48}$ cm$^2 $) XENONnT 发现显着性的中位数超过 3$\sigma$ (5$\sigma$)。对中子（质子）依赖于自旋的 WIMP 耦合的预期灵敏度达到 $2.2\times10^{-43}$ cm$^2$（$6.0\times10^{-42}$ cm$^2$）。6\times10^{-48}$ cm$^2$ ($5.0\times10^{-48}$ cm$^2$) XENONnT 发现显着性的中位数超过 3$\sigma$ (5$\sigma$)。对中子（质子）依赖于自旋的 WIMP 耦合的预期灵敏度达到 $2.2\times10^{-43}$ cm$^2$（$6.0\times10^{-42}$ cm$^2$）。6\times10^{-48}$ cm$^2$ ($5.0\times10^{-48}$ cm$^2$) XENONnT 发现显着性的中位数超过 3$\sigma$ (5$\sigma$)。对中子（质子）依赖于自旋的 WIMP 耦合的预期灵敏度达到 $2.2\times10^{-43}$ cm$^2$（$6.0\times10^{-42}$ cm$^2$）。