Phénoménologie de la détection indirecte de matière noire

Phenomenology of dark matter indirect detection

• Auteur / Autrice : Jordan Koechler
• Direction : Marco Cirelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Antoine Letessier-Selvon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farvah Mahmoudi, Gabrijela Zaharijaš
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Malcolm Fairbairn, Laura Lopez-Honorez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique mathématique

Rayonnement cosmique

Cosmologie

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Physique théorique des astroparticules

Cosmologie

Matière noire

Rayons cosmiques

Theoretical astroparticles physics

Cosmology

Dark matter

Cosmic rays

Résumé

Parmi les problèmes ouverts de la physique moderne, la matière noire (MN) est l'un des plus fascinants. Elle explique plusieurs anomalies gravitationnelles présentes dans des systèmes à différentes échelles : la platitude des courbes de rotation des galaxies spirales, la dynamique des amas de galaxies, la distribution des structures à grande échelle dans l'Univers et les anisotropies de la température du fond diffus cosmologique. Des mesures précises de ces dernières, éventuellement combinées à d'autres techniques, montrent que la MN constitue environ un quart de l'énergie totale de l'Univers. Bien que nous ayons des preuves observationnelles fiables de l'existence de la MN, sa nature reste un mystère, car à ce jour, aucune observation n'a pu montrer que la MN peut interagir avec la matière ordinaire autrement que gravitationnellement. De nombreuses hypothèses sur sa nature subsistent. La MN pourrait exister sous la forme de particules élémentaires qui ne font pas partie du Modèle Standard de la physique des particules, ou sous forme d'objets macroscopiques compacts tels que les trous noirs primordiaux (TNP). Pour révéler la nature de la MN, ou à défaut, pour écarter des hypothèses la concernant, plusieurs techniques d'observation existent. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la méthode de détection indirecte, qui consiste à rechercher des signaux d'annihilation ou de désintégration de la MN sous forme de rayons cosmiques chargés, de photons ou de neutrinos. Chaque produit porte différents types d'informations. Les photons et les neutrinos, étant des particules neutres, peuvent se propager sans être déviés par les champs magnétiques environnants, ce qui facilite la localisation de leur source d'émission. Les rayons cosmiques chargés, en revanche, peuvent être constitués d'antimatière, qui est très peu produite par des processus astrophysiques et peut donc être détectée avec un faible signal de fond. Dans cette thèse, nous étudions l'émission de photons secondaires par l'interaction des produits issus de la MN avec le milieu galactique. En particulier, dans le cas où la MN est une particule de masse inférieure à un GeV, les électrons et positrons produits pourraient interagir avec des photons ambiants de la galaxie, produisant des rayons X par effet Compton inverse. La prédiction du spectre de ce rayonnement, comparée aux données des observatoires à rayons X, permet d'obtenir de fortes contraintes sur ce type de MN. De même, nous appliquons ce même principe au cas de l'évaporation des TNP afin de leur imposer de fortes contraintes.

Among the open problems of modern physics, dark matter (DM) is one of the most fascinating. It explains several gravitational anomalies observed at different scales: the flatness of rotation curves of spiral galaxies, the dynamics of galaxy clusters, the distribution of large-scale structures in the Universe, and the anisotropies in the temperature of the cosmic microwave background. Precise measurements of the latter, possibly combined with other techniques, show that DM constitutes about a quarter of the Universe's energy budget. Although we have reliable observational evidence of DM's existence, its nature remains a mystery, as no observation has yet shown that DM can interact with ordinary matter other than gravitationally. Numerous hypotheses about its nature remain. DM could exist as elementary particles not included in the Standard Model of particle physics, or as macroscopic compact objects such as primordial black holes (PBH). To reveal the nature of DM, or to rule out hypotheses concerning it, several observational techniques are available. In this thesis, we focus on the method of indirect detection, which involves looking for signals of the annihilation or decay of DM in the form of charged cosmic rays, photons or neutrinos. Each product carries different types of information. Photons and neutrinos, being neutral particles, can propagate without being deflected by the surrounding magnetic fields, making it easier to trace their source of emission. Charged cosmic rays, on the other hand, may consist of antimatter, which is less likely produced by astrophysical processes and can therefore be detected with a low background. In this thesis, we study the emission of secondary photons by the interaction of DM products with the galactic environment. Specifically, we consider the case in which DM is a particle with a mass below a GeV. The electrons and positrons produced could interact with ambient photons in the galaxy, producing X-rays through inverse Compton scattering. The prediction of the spectrum of this radiation, compared with data from X-ray observatories, provides strong constraints on this type of DM. Similarly, we apply this same principle to the case of PBH evaporation in order to impose strong constraints on them.