Astronomie des rayons gamma avec des particules de type axion et recherche de champs magnétiques intergalactiques

Gamma-ray astronomy with axion-like particles and search for intergalactic magnetic fields

• Auteur / Autrice : Alexander Korochkin
• Direction : Dmitri Semikoz, Grigory Rubtsov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 11/07/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité en cotutelle avec Institute for Nuclear Research (Moscow, Russie ; 1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Yvonne Becherini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvonne Becherini, Günter Sigl, Peter Tinyakov, Ruth Durrer, Andreas Zech, Igor Tkachev
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Günter Sigl, Peter Tinyakov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Axions

Champs magnétiques (physique spatiale)

Fond diffus cosmologique

Astronomie gamma

Mots clés libres

Astronomie gamma

Fond diffus

Champs magnétiques intergalactiques

Particules de type axion

Gamma-Ray astronomy

Diffuse background

Intergalactic magnetic fields

Axion-Like particles

Résumé

Les rayons gamma d'énergies supérieures à 30 GeV ne peuvent pas voyager librement à travers l'Univers en raison de leur interaction avec la lumière d'arrière-plan extragalactique (EBL). Dans ces interactions, les rayons gamma produisent des paires électron-positon secondaires, qui à leur tour diffusent vers le haut les photons du fond diffus cosmologique (CMB). La cascade électromagnétique qui en résulte modifie le spectre intrinsèque de la source à la fois aux hautes et basses énergies. Aux hautes énergies, le flux est réduit en raison de l'absorption des photons primaires. Aux énergies inférieures, il y a un flux supplémentaire provenant de la cascade électromagnétique. Les propriétés des cascades électromagnétiques peuvent être utilisées pour étudier les champs magnétiques intergalactiques (IGMF) à travers des observations du retard temporel des photons secondaires, des signatures dans les spectres et de l'émission étendue autour des sources ponctuelles. Les mêmes données peuvent être utilisées pour étudier les empreintes des particules hypothétiques de type axion (ALP), l'un des principaux candidats à la matière noire, dans le spectre des sources de rayons gamma. La future expérience de rayons gamma Cherenkov Telescope Array (CTA) prévoit de mesurer les flux de blazars dans la gamme d'énergie de 30 GeV à 30 TeV avec une sensibilité 10 fois supérieure aux mesures actuelles. L'objectif de cette thèse est de modéliser les phénomènes ci-dessus, en tenant compte des modèles récents de lumière de fond extragalactique et de faire des prédictions de modèles pour les futures mesures CTA. Tout d'abord, nous construisons un nouveau modèle EBL flexible et examinons sa dépendance vis-à-vis des principaux paramètres astrophysiques qui le sous-tendent. En utilisant les données de rayons gamma disponibles, nous avons défini des contraintes sur les paramètres de la caractéristique spectrale étroite supplémentaire dans le spectre EBL, puis nous les avons converties en contraintes sur la constante de couplage ALP avec les photons. D'autre part, nous estimons la sensibilité du CTA pour les champs magnétiques cosmologiques forts et montrons qu'il peut être utilisé pour sonder un champ magnétique d'une force allant jusqu'à 10−12 G – 10−11 G. Enfin, nous discutons de deux classes d'erreurs systématiques, qui doivent être prises en compte lors de l'étude de l'IGMF avec la technique des rayons gamma. La première classe est associée à l'effet de rétroaction baryonique et la seconde aux imprécisions de la simulation numérique.

Gamma-rays of energies above 30 GeV can not freely propagate through the Universe due to their interaction with the Extragalactic Background Light (EBL). In these interactions gamma-rays produce secondary electron-positron pairs, which in turn up-scatter Cosmic Microwave Background (CMB) photons. Resulting electromagnetic cascade changes the intrinsic spectrum of source both at high and low energies. At high energies flux is reduced due to absorption of primary photons. At lower energies there is an additional flux from electromagnetic cascade. Properties of electromagnetic cascades can be used to study intergalactic magnetic fields (IGMF) through observations of the time delay of the secondary photons, signatures in the spectra and extended emission around the point sources. Same data can be used to study the imprints of the hypothetical axion-like particles (ALP), one of the main Dark Matter candidates, in the spectra of gamma-ray sources. The future gamma-ray experiment Cherenkov Telescope Array (CTA) plans to measure the fluxes of blazars in the energy range from 30 GeV to 30 TeV with sensitivity 10 times superior to present measurements. The goal of this thesis is to model the above phenomena, taking into account the recent models of extragalactic background light and make model predictions for the future CTA measurements. First, we build a new, flexible EBL model and examine its dependence on the main astrophysical parameters underlying it. Using available gamma-ray data we set constraints on the parameters of the additional narrow spectral feature in the EBL spectrum and then convert them into constraints on the ALP coupling constant with photons. On the other hand, we estimate sensitivity of the CTA for strong cosmological magnetic fields and show that it can be used to probe magnetic field with a strength up to10−12 G – 10−11 G. Finally we discuss two classes of systematic errors, which must be taken into account when studying IGMF with gamma-ray technique. The first class is associated with the baryonic feedback effect, and the second -- with inaccuracies of numerical simulation.