Étude analytique de la structuration de la matière noire aux petites échelles et implications pour les recherches de nouvelle physique

Analytical study of particle dark matter structuring on small scales and implications for dark matter searches

• Auteur / Autrice : Gaétan Facchinetti
• Direction : Julien Lavalle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Astronomie
• Date : Soutenance le 05/07/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Salati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Lavalle, Pierre Salati, Pasquale D. Serpico, Shin'ichiro Ando, Céline Boehm, Marco Cirelli, Jorge Penarrubia, Tracy Slatyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pasquale D. Serpico, Shin'ichiro Ando

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Particules (physique)

Cosmologie

Mots clés libres

Matière noire

Cosmologie

Physique des particules

Théorie

Dark matter

Cosmology

Particle physics

Theory

Résumé

Le problème de masse manquante de l'Univers est l'une des plus grandes énigmes de la cosmologie et de la physique fondamentale moderne. En supposant qu'elle soit résolue par l'existence de particules exotiques de matière noire, nous pouvons sonder le cosmos à la recherche des signatures spécifiques que ces dernières seraient susceptibles de laisser. Les candidats de type "particule" pour la matière noire froide ont des propriétés donnant lieu à la formation de structures gravitationnelles à des échelles bien plus petites que celles des halos galactiques typiques, hors de portée des simulations cosmologiques actuelles. Cette structuration, prédite théoriquement et dérivant des propriétés d'interactions des particules supposées de matière noire froide, se traduit en principe par l'existence d'un grand nombre de sous-halos composés exclusivement de matière noire dans des galaxies telles que la Voie Lactée. Seuls des modèles analytiques permettent alors de décrire leur distribution dans ses détails. Mon travail est centré sur le développement d'un tel modèle. Ce modèle est construit en respectant un principe d'auto-cohérence théorique auquel s'ajoutent des contraintes dynamiques, et repose principalement sur trois ingrédients : la masse minimale des sous-halos, leur fonction de masse cosmologique, et l'adjonction d'effets dynamiques dépendant de l'environnement. Le premier de ces éléments est déterminé dans le cadre d'un scénario simplifié de matière noire produite thermiquement dans l'univers primordial (particules exotiques dotées d'interactions scalaires, pseudo-scalaires, vectorielles et axiales aux particules du modèle standard). Je détermine l'impact des différents paramètres de ce scénario sur l'échelle de coupure prédite dans le spectre de puissance de la matière, qui se trouve corrélée à la masse minimale des sous-halos. En particulier, je rends explicite le rôle de la dépendance en vitesse des taux d'interactions. En second lieu, j'améliore la détermination de la fonction de masse des sous-halos en la calculant à partir d'une théorie statistique de formation des structures et d'un arbre de fusion. Cela permet de s'affranchir d'une étape de calibration sur des simulations cosmologiques qui représentait une forte limitation du modèle avant ce travail. De plus, j'ajoute de nouveaux effets dynamiques en déterminant, de façon analytique, les effets de marée gravitationnelle induits par les rencontres individuelles successives des sous-halos avec les étoiles du disque galactique. Pour terminer, j'illustre une application de ce modèle de population de sous-halos en ré-évaluant les prédictions de signaux de matière noire pour des expériences de détection indirecte. Je donne notamment des perspectives plus réalistes pour la détection de sous-halos ponctuels comme sources de rayons gamma avec des instruments de types Fermi-LAT et CTA, et pour l'association potentielle de certaines des 1525 sources non-associées figurant actuellement dans le catalogue de Fermi-LAT avec des sous-structures de matière noire. Je discute enfin très brièvement l'impact d'autres effets plus subtils associés à des interactions entre particules à longue portée, comme l'effet Sommerfeld.

The problem of the missing mass of the Universe is one of the most puzzling conundrums of modern physics. Assuming that it stems from the existence of yet unknown dark matter (DM) particles, one can probe the cosmos in the hope of detecting unambiguous signatures thereof. The properties of cold DM (CDM) particle candidates lead to the prediction that gravitational structures form on scales much smaller than typical galaxies, below the resolution scope of current cosmological simulations. This clustering translates into a large population of subhalos in galaxies, hence in the Milky Way. Only analytical models can encompass and describe their full distribution. My work is centred upon building a theoretically consistent and dynamically constrained subhalo population model. This relies mostly on three ingredients: the minimal subhalo mass, the cosmological mass function, and dynamical effects. I start from a simplified model of thermally produced dark matter (with scalar, pseudo-scalar, vector and axial-vector interactions with standard model particles). I classify models in terms of small-scale cut-off on the matter power spectrum, which is directly related to the minimal halo mass, making explicit the role of velocity dependence in the interaction processes. Secondly, I improve on the determination of the cosmological subhalo mass function by deriving it from the excursion set theory and a merger tree, while it was previously calibrated on simulations. Thirdly, I incorporate new dynamical effects by analytically studying the impact of stellar encounters susceptible of occurring in galactic discs. Besides, I illustrate an application of this model for indirect detection experiments looking for traces of DM annihilation in the Milky Way. In light of the 1525 unassociated point sources discovered by the Fermi-LAT collaboration, I give prospects for the detection of point-like subhalos as gamma-ray sources with Fermi-LAT-like and CTA-like instruments. I also shortly discuss the impact of additional effects, like the Sommerfeld effect.