Des rayons gamma aux ondes radio : recherche de la matière noire à travers le spectrum

From gamma rays to radio waves : Dark Matter searches across the spectrum

• Auteur / Autrice : Elena Pinetti
• Direction : Marco Cirelli, Nicolao Fornengo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Università degli studi (Turin, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique théorique et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Fiorenza Donato
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marta Volonteri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraldine Servant, Shunsaku Horiuchi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Rayons gamma

Rayonnement cosmique

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Astroparticule

Cosmologie

Rayons X

Rayons gamma

Ondes radio

Dark matter

Astroparticle

Cosmology

Résumé

La matière noire est l’un des problèmes ouverts parmi les plus fascinants de la physique moderne. Une explication convaincante est qu’elle est composée de nouvelles particules, qui ne figurent pas dans le modèle standard. Ma thèse de doctorat porte sur la détection indirecte de ces particules : l’idée de base est que les particules de matière noire puissent s’annihiler ou se désintégrer et produire des rayons cosmiques détectables avec nos télescopes présents et futurs. Il est raisonnable de penser que des particules de masses différentes puissent produire des signaux différents, par conséquent l’étude de différents messagers peut fournir des informations complémentaires sur leurs propriétés. Je me suis concentrée sur l’étude des rayons gamma, des rayons X et des ondes radio qui peuvent être produits par des particules d’un intervalle de masse allant de MeV au TeV. En particulier, j’ai obtenu la prédiction du signal de corrélation croisée entre le flux gamma extragalactique, mesuré par le Fermi Gamma-Ray Telescope, et la raie de 21 cm émise par l’hydrogène dans les halos de matière noire, observable avec les radiotélescopes MeerKAT et SKA. De plus, j’ai obtenu les limites sur la section efficace d’annihilation des particules de matière noire en comparant le flux de rayons X mesuré par le télescope spatial INTEGRAL avec le signal théorique prévu dans le cas de particules d’une masse comprise entre 1 MeV et 5 GeV. Enfin, un signal émerge des cartes radio du survey GLEAM qui semble provenir de filaments d’origine inconnue. J’ai donné une interprétation de ce signal en termes de rayonnement synchrotron produit par les filaments de matière noire.

Dark matter is one of the most fascinating open problems in modern physics. One interesting explanation is that it is composed of new particles, which are not included in the Standard Model. My doctoral thesis focuses on the indirect detection of these particles: the basic idea is that dark matter particles can annihilate or decay and produce cosmic rays detectable with our present and future telescopes. It is reasonable to think that particles of different masses can produce different signals, therefore the study of different messengers can provide additional information about their properties. I focused on studying gamma rays, X rays and radio waves that can be produced by particles with a mass range from MeV to TeV. In particular, I obtained the prediction of the cross-correlation signal between the extragalactic gamma-ray flux, measured by the Fermi Gamma-Ray Space Telescope, and the 21 cm line emitted by hydrogen in dark matter halos, observable with the MeerKAT and SKA radio telescopes. In addition, I obtained the limits on the effective annihilation cross-section of dark matter particles by comparing the X-ray flux measured by the INTEGRAL Space Telescope with the theoretical signal provided in the case of particles with a mass between 1 MeV and 5 GeV. Finally, a signal emerges from the radio maps of the GLEAM survey that seems to come from filaments of unknown origin. I gave an interpretation of this signal in terms of the synchrotron radiation produced by dark matter filaments.