Not-so-Dark Matter : stratégies pour la détection et l'identification de la Matière Noire

Not-so-Dark Matter : strategies for indirect detection and identification of Dark Malter

• Auteur / Autrice : Mattia Fornasa
• Direction : Antonio Masiero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Champs, particules, matières (Physique des astroparticules)
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 7 en cotutelle avec Università degli studi (Padoue, Italie)
• Jury : Président / Présidente : Antonio Masiero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antonio Masiero, Pierre Binétruy, Géraldine Servant, Fabio Zwirner, Gianfranco Bertone

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies elliptiques

Trous noirs (astronomie)

Astronomie gamma

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Spectre angulaire de puissance

Angular power spectrum

Résumé

L'existence de la Matière Noire (MN) est supportée par des nombreuses preuves, obtenues à travers des techniques expérimentales différentes et complémentaires. La densité d'énergie de la MN est supposée expliquer presque un quart de la densité d'énergie de l'Univers entier. Elle ressent principalement de l'effet de la gravité et elle interagit seulement faiblement à travers les interactions nucléaires et électromagnétiques. Sous l'hypothèse que la particule de MN soit sa propre anti-particule, une façon d'obtenir des informations sur la distribution de la MN ou, en général, de déduire quelques caractéristiques, est de rechercher ses produits d'annihilation. Il s'agit de l'idée sur laquelle est basée la détection indirecte de MN. Dans cette thèse je vais me concentrer seulement sur l'annihilation de la MN en rayons gamma et je vais examiner les perspectives pour obtenir une claire signature de la présence de la MN par l'analyse de l'émission gamma. Comme le flux d'annihilation est proportionnel au carré de la densité de MN, les plus naturelles objectives pour la détection indirecte de MN sont le Centre Galactique (à cause de sa proximité et de l'abondance de MN estimée) et les galaxies sphéroïdales naines de la Voie Lactée (à cause du grand rapport lumière sur niasse). Les données expérimentales actuelles de ces classes des objets ne peuvent pas fournir une preuve de le présence de la MN, mais ils ont seulement fixé des limites supérieures au flux d'annihilation. Dans cette thèse je vais présenter deux stratégies alternatives capables d'identifier des claires signatures de la présence de la MN, à travers lesquelles il sera possible de distinguer le signal d'annihilation du fond gamma. Dans le premier cas, je vais me concentrer sur l'effet que les trous noirs peuvent avoir sur la distribution de la DM en formant des surdensités. Le mécanisme plus efficace est la contration adiabatique autour des Trous Noirs SuperMassifs, capables de produire des grandes augmentations de la densité de MN appelées spikes. D'un autre côté, le cas le plus vraisemblable est celui des mini-spikes autour des Trous Noirs de Masse Intermédiaire et je vais présenter des perspectives pour la détection de MN dans le mini-spikes de la Voie Lactée et de la Galaxie d'Andromède. Ensuite je m'occuperai de la deuxième alternative : l'étude du spectre angulaire de puissance pour les anisotropies de l'émission gamma. Après la soustraction de la contribution Galactique aux données EGRET (en raison de l'interaction des rayons cosmiques avec le moyen interstellaire Galactique), un fond isotrope restera, appelé Fond Extra-galactique Gamma (FEG). Le satellite Fermi LAT fournira bientôt une nouvelle estimation du FEG et, dans les derniers chapitres, je vais montrer comment la MN peut contribuer au flux du FEG et comment sa présence peut être détectée à travers l'analyse du spectre angulaire du FEG. Au même temps les sous-structures Galactiques et extra-galactiques seront considérées, en constituant, les premières, le composant principal du spectre angulaire aux multipôles inférieurs. Cette thèse est fondée sur les projets où j'ai travaillé pendant mon doctorat et les résultats que je vais présenter sont déjà discutés dans les papiers dont je suis co-auteur.

The existence of Dark Mailer (DM) is supported by multiple evidences, achieved by means of vert' different experimental strategies. Its energy density today has been measured to account for almost a quarter of the total energy density in the Universe. DM is mainly sensible to gravity and it interacts only weakly through nuclear and electronmagnetic interactions. Under the assumption that a DM particle is its own anti-particle, annihilation products can be searehed for in order to obtain informations about DM distribution and, more generally, to infer some of its properties. This is the idea beyond DM indirect détection. In this Ph. D. Thesis i will focus only on DM annihilation into gamma-rays and diseuss the possibility of obtaining clear DM signatures from the analysis of gamma-rays signais. Being the annihilation flux pmportional to the DM density squarcd, natural taros for indirect searches arc the Galactic Center (duc to ils vicinily and its large amount of DM) and the near dwarf spheroidal galaxies (due to (heir large mass-to-light ratio). Experimental data from both these classes of sources have not round any clear DM signal, being able only to provide upper limits on the annihilation flux. I will present here two alternative strategies for which DM signatures may be detected and a signal from annihilation may be disentagled from the gamma-ray background. In the first case I will fucus on the effect that Black Fioles (BHs) can have on the distribution of DM producing overdensities. The most efficient mechanism is the adiabatic contraction around SuperMassive Black Fioles, able to create large enhancements called spikes. However, the scenario of mini-spikes around Intermediate Mass Black Holes is more realistic and I will present prospects of detecting DM from mini-spikes in our Galaxy and in the Andromeda Galaxy. I will move then to the analysis of the angular power spectrum of anistropies in the gamma-ray mission. After that the Galactic foreground (due to costnic rays interacting with the Galactic interstellar medium) is subtructed from a map of the gamma-ray sky, a residual isotropie background rcmains, called Extra-galactic Gamma-ray Background (EGB) and measured by EGRET. The Fermi LAT satellite will soon provide a more precise measurement of the EGB and I will prescrit here predictions showing that the DM can contribute to the EGB flux and that its presence can be detected in the analysis of the angular power spectrum of the EGB. Both Galactic and extra-galactic DM substructures are taken loto account, the first dominating the angular spectrum at low multipoles. This thesis is based on the tropes I have been involvcd in during my Ph. D. And I will mainly present results already discussed in thése papers where I am among the authors.