Recherche indirecte de matière noire en direction des galaxies naines avec le télescope à neutrinos ANTARES

Indirect research of dark matter toward dwarf galaxies with the ANTARES neutrino telescope

• Auteur / Autrice : Alexis Dumas
• Direction : Pascal Gay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Particules
• Date : Soutenance le 21/10/2014
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Corpusculaire (Aubière, Puy-de-Dôme) - (LPC-Clermont) Laboratoire de Physique Corpusculaire de Clermont-Ferrand
• Jury : Président / Présidente : Alain Falvard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Gay, Vincent Bertin, Emmanuel Nezri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Kouchner, Sylvie Rosier-Lees

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescope à neutrinos ANTARES

Galaxies naines

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Galaxies naines

ANTARES

Télescope

Neutrinos

Recherche indirecte

Analyse

Modélisation

Densité de matière noire

Section efficace d’auto-annihilation

Dark matter

Dwarf galaxies

ANTARES

Telescope

Neutrinos

Indirect search

Analysis

Modelization

Dark matter density

Self-annihilation cross section

Résumé

La première partie de ce document résume les arguments astrophysiques permettant de supposer l’existence de matière noire. Le modèle cosmologique ΛCDM y est présenté ainsi que la notion de section efficace d’auto-annihilation de matière noire. Les galaxies naines satellites de la Voie Lactées, sources de notre étude, sont introduites dans un second chapitre. Après un rappel des grandes structures qui composent l’univers, les problématiques liées aux galaxies naines sont abordées : nombre de ces galaxies, distribution de la densité de matière noire en leur sein et forces de marées dues à la Voie Lactée.La seconde partie discute de la modélisation de la densité de matière noire dans les galaxies naines. La méthode employée, utilisant l’équation de Jeans et la dispersion des vitesses projetées des étoiles, y est présentée. Trois profils de matière noire sont retenus : NFW, Burkert et Einasto ainsi que quinze galaxies naines. La production de neutrinos lors de l’auto-annihilation de matière noire est ensuite abordée. Les spectres énergétiques des neutrinos produits sont générés avec le logiciel PYTHIA puis comparé avec d’autres résultats pour le centre galactique. Vingt-trois hypothèses de masse du candidat de matière noire sont choisies, allant de 25 GeV/c2 `a 100 TeV/c2. Cinq canaux d’auto-annihilation sont sélectionnés pour l’analyse : χχ → b¯b, W+W−, τ+τ−, μ+μ−, νμ ¯ νμ. La troisième partie comporte une présentation du détecteur utilisé pour l’étude, le télescope à neutrinos ANTARES. Trois algorithmes de reconstruction développés et utilisés au sein de la collaboration y sont également détaillés : AAFit, BBFit et GridFit. L’analyse des données d’ANTARES ayant pour but de mettre en évidence un excès de neutrinos caractéristique de l’auto-annihilation de matière noire est résumée dans le sixième et dernier chapitre. Aucun excès n’ayant été observé, une limite sur la section efficace d’auto-annihilation de matière noire a été déterminée.

The first part of this document summarizes the astrophysical arguments to suppose the existence of dark matter. The cosmological model ΛCDM is presented as well as the concept of cross section of dark matter self-annihilation. Dwarf galaxies satellites of the Milky Way, the sources of our study are introduced into a second chapter. After recalling the large structures that make up the universe, the issues related to dwarf galaxies are addressed : missing satellites problem, distribution of dark matter density within them and tidal forces due to the Milky Way. The second part discusses the modeling of the dark matter density in dwarf galaxies. The methodology, using the Jeans equation and dispersion of projected stars velocities, is presented. Three dark matter profiles are retained : NFW, Burkert and Einasto and fifteen dwarf galaxies.Neutrino production during the self-annihilation of dark matter is then addressed. The energy spectra of neutrinos are generated with PYTHIA software and compared with other results for the galactic center. Twenty-three assumptions of mass dark matter candidates are chosen, ranging from 25 GeV/c2 100 TeV/c2. Five self-annihilation channels are selected for analysis : χχ → b¯b, W+W− τ+τ− μ+μ− νμ ¯ νμ. The third part includes a presentation of the detector used for the study, the ANTARES neutrino telescope. Three reconstruction algorithms developed and used in collaboration are also detailed : AAFIT, BBFit and GridFit. The analysis of data ANTARES aimed to find a neutrinos excess characteristic of dark matter self-annihilation is summarized in the sixth and final chapter. No excess was observed, a limit on the cross section of dark matter self-annihilation was determined.