Recherche de matière noire en rayons gamma de très haute énergie avec H.E.S.S. et les futurs réseaux au sol

Search for dark matter in very-high-energy gamma-rays with H.E.S.S. and upcoming ground-based arrays

• Auteur / Autrice : Igor Reis
• Direction : Emmanuel Moulin, Aion Viana
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Science des Astroparticules et Cosmologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidade de São Paulo
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de Physique des Particules
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Matière Noire

Rayons Gamma

H.e.s.s.

Astrophysique des hautes énergies

Cta

Dark Matter

Gamma-rays

H.e.s.s.

High-energy astrophysics

Cta

Résumé

Les observations astrophysiques en rayons gamma de très hautes énergies (E> 100 GeV) sont cruciales pour la compréhension des phénomènes non-thermiques les plus violents à l'œuvre dans l'Univers. Les observations multi-longueurs d'onde du centre de la Voie Lactée révèlent une région complexe et active avec l'accélération de rayons cosmiques à des énergies du TeV et au-delà au sein d'objets astrophysiques comme le trou noir supermassif Sagittarius A*, les vestiges de supernova, les nébuleuses à vents de pulsars et les régions de formation d'étoiles. La région du centre Galactique abrite un Pevatron cosmique, des structures radio en arc, ainsi que la base de possibles éjecta galactiques à plus grandes échelles. L'interaction d‘électrons énergétiques accélérés au sein de ces objets produit des rayons gamma de très hautes énergies par diffusion inverse Compton des électrons sur les champs de radiation ambiants. Ces rayons gamma peuvent être aussi efficacement produits à travers la décroissance de pions neutres produits lors de l'interaction inélastique de protons et noyaux énergétiques avec le gaz ambiant. Sagittarius A* est très probablement l'accélérateur de protons ultra-relativistes responsable de l'émission diffuse détectée par H.E.S.S. dans la plage en énergie du TeV. Au-delà de la diversité d'accélérateurs astrophysiques, la région du CG devrait être la source la plus brillante d'annihilations de particules de matière noire en rayons gamma. L'observatoire H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) se compose de quatre télescopes à effet Cherenkov atmosphérique de 12 m de diamètre et d'un de 28 m de diamètre situé au centre du réseau. L'instrument est conçu pour détecter des rayons gamma de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. L'observatoire H.E.S.S. est piloté par une collaboration internationale regroupant 230 scientifiques de 39 instituts scientifiques dans 13 pays. La collaboration H.E.S.S. mène une campagne d'observation de la région centrale de notre Galaxie sur plusieurs degrés autour du centre Galactique. Les observations fournissent une sensibilité accrue pour étudier l'accélération et la propagation de rayons cosmiques de THE dans la région du CG, et rechercher des signaux de matière noire dans la région la plus prometteuse du ciel. Ces observations sont primordiales pour préparer les programmes d'observations des observatoires au sol à venir et optimiser leur mise en œuvre pour la détection de matière noire vers le centre Galactique ainsi que les galaxies naines proches satellites de la Voie Lactée.

Very-high-energy (E>100 GeV) gamma-ray observations are crucial for the understanding of the most violent non-thermal processes in the Universe. Multiwavelenght observations of the Milky Way reveal a complex and active region with the acceleration of cosmic rays to TeV energies and beyond in astrophysical objects such as the supermassive black hole Sagittarius A*, supernova remnants, pulsar wind nebulae and star-forming regions. The Galactic centre region harbors a cosmic PeVatron, arc-like structures and possibly the base of large-scale galactic outflows. The interaction of energetic electrons accelerated in these objects produce very-high-energy gamma rays via the inverse Compton process of electrons scattering off ambiant radiation fields. These gamma-rays can also be efficiently produced through decays of neutral pions from inelastic collisions of energetic protons and nuclei with the ambient gas. Sagittarius A* is the most likely supplier of ultra-relativistic cosmic-ray protons responsible for the diffuse emission detected by H.E.S.S. in the ten TeV energy range. Beyond the diversity of astrophysical accelerators, the Galactic centre region should be the brightest source of dark matter particle annihilations in gamma rays. The H.E.S.S. observatory is operated by an international collaboration of about 230 scientists from 39 scientific institutions in 13 countries. The H.E.S.S. collaboration carries out an observation campaign of the central region of our Galaxie within several degrees around the Galactic centre. The observations provide an improved sensitivity to study the acceleration and propagation of very-high-energy cosmic rays in the Galactic centre region et search for dark matter signals in the most promising region of the sky. These observations are unique to shape the observation programs of upcoming ground-based observatories and optimize their implementation for dark matter detection towards the Galactic centre as well as nearby dwarf satellite galaxies of the Milky Way.