Recherche de matière noire à l'aide d'observations en rayons gamma de très haute énergie avec les observatoires au sol actuels et futurs

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Search for Dark Matter with Very-High-Energy Gamma Rays with Current and Upcoming Ground-Based Observatories

Supervisor: Moulin, Emmanuel ; Viana, Aion
Report number: FRCEA-TH--18209
Physical description: 229 p.
Document: Thèse ; Thèse CEA

Keywords: gamma-ray observatories ; dark matter ; very-high-energy astrophysics ; galactic center ; centre galactique ; astrophysique des très hautes énergies ; observatoires de rayons gamma ; matière noire ; matéria escura ; centro galáctico ; observatórios de raios gama ; astrofísica de altas energias
INIS subject category: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY

Résumé: Les observations de rayons gamma de très haute énergie (THE; E ≳ 100 GeV) constituent un outil privilégié pour explorer les phénomènes astrophysiques extrêmes et sonder la physique au-delà du Modèle Standard. Cette thèse est consacrée à la recherche indirecte de matière noire à l'aide d'observatoires en rayons gamma, en explorant différents modèles de particules et stratégies d'observation. Un cadre statistique unifié pour l'analyse des données THE est développé, fondé sur une fonction de vraisemblance bidimensionnelle et des tests statistiques de rapport de vraisemblance, permettant de calculer les sensibilités attendues et leurs intervalles de confiance dans des conditions de réponse instrumentale réalistes. Ce cadre est appliqué à plusieurs scénarios de matière noire à partir de l'émission gamma attendue dans le centre galactique. La première étude contraint la section efficace de diffusion entre la matière noire et les rayons cosmiques, en établissant des limites de sensibilité pour les observatoires H.E.S.S., CTAO, LHAASO et SWGO de l'ordre de σᵨᵪ ~ 10⁻³³–10⁻³⁴ cm² pour des masses de matière noire dans la gamme du keV. Une deuxième analyse cible deux modèles sub-GeV de matière noire et leurs interactions avec les rayons cosmiques, à savoir les particules de type axion (ALPs) et les photons sombres. Les résultats montrent que CTAO et SWGO peuvent sonder des couplages jusqu'à gₐᵧᵧ ~ 0.5–1 TeV⁻¹ ainsi que des paramètres de mélange cinétique ε ~ 0.05–0.1, prolongeant les contraintes issues des expériences de laboratoire et d'autres observations gamma. Enfin, la sensibilité de CTAO à l'annihilation de matière noire dans le centre galactique est étudiée dans le cadre des Théories des Champs Effectives et des Modèles Simplifiés, montrant que CTAO pourra explorer des échelles de médiateurs jusqu'à M* ~ 10 TeV et des masses de médiateurs jusqu'à Mmed ~ 3 TeV pour des WIMPs à l'échelle du TeV, en complémentarité avec les contraintes des collisionneurs et des expériences de détection directe. Dans l'ensemble, ces travaux démontrent comment un cadre statistique commun et les télescopes Cherenkov de nouvelle génération permettront de sonder l'astrophysique non résolue du centre galactique et d'explorer un large éventail de phénomènes du secteur sombre, confirmant le rôle central de l'astronomie gamma THE dans la physique fondamentale multi-messagers.
Abstract: Very-high-energy (VHE; E ≳ 100 GeV) gamma-ray observations provide a powerful laboratory for studying extreme astrophysical environments and physics beyond the Standard Model, with this thesis focusing on indirect dark matter searches using gamma-ray observatories through multiple particle models and detection strategies. A unified statistical framework for VHE analyses is developed, based on a two-dimensional binned likelihood and log-likelihood ratio test statistics, and is used throughout to derive median sensitivities and confidence intervals under realistic instrument response conditions. This framework is applied to dark matter–related scenarios using gamma rays from the inner Galaxy, first probing dark matter–cosmic-ray scattering and deriving sensitivity limits on the dark matter–proton cross section with H.E.S.S.-like, CTAO, LHAASO, and SWGO observations, reaching σᵨᵪ ~ 10⁻³³–10⁻³⁴ cm² for keV dark matter masses. A second analysis targets two sub-GeV dark matter candidates—axion-like particles and dark photons—interacting with cosmic rays, with CTAO and SWGO probing couplings down to gₐᵧᵧ ~ 0.5–1 TeV⁻¹ and kinetic mixing ε ~ 0.05–0.1, extending current gamma-ray and laboratory constraints. Finally, the CTAO sensitivity to dark matter annihilation in the Galactic center is explored within Effective Field Theories and Simplified Models, showing that mediator scales up to M* ~ 10 TeV and Mmed ~ 3 TeV can be tested for TeV-scale WIMPs, in complementarity with collider and direct-detection limits. Altogether, these studies demonstrate how a consistent statistical framework combined with next-generation Cherenkov telescopes can address unresolved Galactic center astrophysics and probe a broad range of dark-sector phenomena, highlighting the central role of VHE gamma-ray astronomy in multi-messenger astroparticle physics.

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