Search for dark matter, Galactic Center observation with H.E.S.S. and upgrade of the H.E.S.S. I camera
Recherche de matière noire, observation du centre galactique avec H.E.S.S.et modernisation des caméras de H.E.S.S. I
Résumé
The ground-based Cherenkov telescope array H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is able to detect gamma rays at very high energies (E> 50GeV) to probe the most violent non-thermal phenomena in the universe. These gamma rays can also come from dark matter particle annihilation. Gamma-ray astronomy provides a promising avenue to search for signatures of these annihilations in overdense regions of the universe. This thesis is composed of three parts. After a brief reminder of the H.E.S.S. instrument, the performance tests to calibrate the new electronics used for the modernization of the four cameras CT1-4 telescopes are presented. The analysis of the upgraded camera raw data shows a reduction global array dead time allowing to maximize the benefit of the stereoscopy between the 5 telescopes. The second part of the thesis deals with 10 years of observations of the Galactic Center region with H.E.S.S. and recent observations taken with the 28-meter-diameter telescope (CT5) located at the center of the array. The data analysis towards the central source HESS J1745-290 provides access to events at lower energies (100 GeV). The spectrum of the central source is in very good agreement with the one of HESS J1745-290 measured with CT1-4 and data below 150 GeV enable to connect it to the Fermi 3FGHL J1745.6-2859c source spectrum. In the third part, the 10 years of data in the region of the Galactic Centre with the first phase of H.E.S.S. are scanned for a dark matter annihilation signal using a likelihood method using the spectral and spatial characteristics of the dark matter signal compared to background. No dark matter signal is detected. The constraints are calculated on the annihilation cross section and, for the first time, a ground-based Cherenkov telescope array is capable to probe the thermal cross section in the case of a cuspy dark matter profile. The sensitivity of the annihilation cross section of the H.E.S.S. instrument using CT5 is then presented toward the Galactic Center and the recently discovered dwarf galaxy Reticulum II. The last part of the thesis studies the potential of the future ground-based instrument CTA (Cherenkov Telescope Array) for the detection of dark matter annihilation signal. Towards the Galactic Center region, the expected dark matter signal is significantly increased by the contribution of gamma rays produced by inverse Compton process of energetic electrons and positrons on ambient radiation fields. The sensitivity obtained enables CTA to probe the thermal cross section in all annihilation channels for a cuspy dark matter profile. The impact on CTA sensitivity of systematic errors and diffuse emission measured by Fermi is also shown. In the case of dwarf galaxy satellites of the Milky Way, the CTA performances enable to consider them as extended objects and provide a competitive sensitivity with the Galactic Centre sensitivity for a kpc-core profile. In the case of a line signal, CTA will be able to strongly constrain specific TeV dark matter models through the Sommerfeld effect, as Wino and MDM-5plet.
Le réseau de 5 télescopes Tcherenkov au sol H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) permet de détecter des rayons gamma à très hautes énergies (E>50GeV) pour sonder les phénomènes non thermiques les plus violents de l'univers. Ces rayons gamma peuvent provenir de l'annihilation de particules de matière noire. L'astronomie gamma permet donc de rechercher les signatures de l'annihilation de particules de matière noire dans les régions denses de l'univers. Cette thèse est composée de trois parties. Après un bref rappel sur l'instrument H.E.S.S., sont présentés en premier lieu les tests de performance effectués pour l'étalonnage de la nouvelle électronique utilisée pour la modernisation des caméras des quatre télescopes CT1 à 4. L'analyse des premières données de la caméra CT1 modernisée montre la réduction du temps mort de lecture du réseau qui permettra de bénéficier pleinement de la stéréoscopie entre les 5 télescopes du réseau. La deuxième partie de la thèse traite des 10 ans d'observations de la région du Centre Galactique avec H.E.S.S. ainsi que les récentes observations obtenues avec l'ajout en 2012 du télescope de 28 mètres de diamètre (CT5) au centre du réseau. L'analyse des données de CT5 en direction de la source centrale HESS J1745-290 permet d'avoir accès aux événements aux plus basses énergies accessibles avec H.E.S.S. (100 GeV). Le spectre de la source centrale est en très bon accord avec celui de HESS J1745-290 mesuré avec CT1-4 et les données en dessous de 150 GeV permettent de raccorder ce dernier à celui de la source Fermi 3FGHL J1745.6-2859c.Dans la troisième partie, les 10 ans de données dans la région du Centre Galactique avec la première phase de H.E.S.S sont analysés pour rechercher un signal d'annihilation de matière noire à l'aide d'une méthode de vraisemblance utilisant les caractéristiques spectrale et spatiale du signal de matière noire par rapport à celles du bruit de fond. En l'absence de signal matière noire, les contraintes sont calculées sur la section efficace d'annihilation et, pour la première fois, un réseau de télescope Tcherenkov au sol est capable de sonder la section efficace d'annihilation thermique dans le cas d'un profil de matière noire piqué. La sensibilité sur la section efficace d'annihilation de l'instrument H.E.S.S. utilisant CT5 est ensuite présentée vers le Centre Galactique et la galaxie naine récemment découverte Reticulum II. La dernière partie de cette thèse étudie le potentiel du futur réseau de télescopes Tcherenkov CTA, (Cherenkov Telescope Array) pour la détection d'un signal d'annihilation de matière noire. Vers la région du Centre Galactique le signal de matière noire attendu est significativement augmenté par la contribution de rayons gamma produits par effet Compton inverse d'électrons et positrons énergétiques sur les champs de radiation ambiants. La sensibilité obtenue permet à CTA de sonder la section efficace d'annihilation thermique dans tous les canaux d'annihilation dans le cas d’un profil de matière noire piqué. L’impact sur la sensibilité de CTA des erreurs systématiques et de l’émission diffuse mesurée par Fermi est aussi montré. Dans le cas des galaxies naines satellites de la Voie Lactée, les performances de CTA permettent de les considérer comme des objets spatialement étendus, et d'obtenir une sensibilité compétitive avec celle du Centre Galactique dans le cas d’un profil à cœur de plusieurs kpc. Dans le cas d'un signal de matière noire de type ligne, CTA sera capable de contraindre fortement des modèles spécifiques de matière noire au TeV grâce à l'effet Sommerfeld, comme le Wino et le MDM-5plet.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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