Present and Future constraints on Secluded Dark Matter in the Galactic Halo with TeV Gamma-ray Observatories

The dark matter relic density may be governed by the presence of new mediators that connect the dark matter field with the Standard Model particles. When the dark matter particle mass is larger than the mediator's, the pair production of mediators is kinematically open. This setup is known in the literature as secluded dark matter. Motivated by the appearance of secluded dark matter in several model building endeavours, we investigate the sensitivity of TeV gamma-ray instruments in the Southern Hemisphere namely, H.E.S.S., CTA, and SWGO to secluded dark matter annihilating in the Galactic Halo. We exploit the complementarity aspects of these detectors to find restrictive bounds on the annihilation cross-section for different annihilation channels. In particular, for a dark matter particle mass of $2$~TeV, H.E.S.S. is able to constraint $\langle \sigma v \rangle \geq 4 \times 10^{-26}\,\, {\rm cm}^3\, {\rm s}^{-1}$ at 95\% confidence level for the $4q$ and $4\tau$ channel, while CTA will be sensitive to $\langle \sigma v \rangle \geq 7 \times 10^{-27}\,\, {\rm cm}^3\, {\rm s}^{-1}$ and SWGO $\langle \sigma v \rangle \geq 6 \times 10^{-27}\,\, {\rm cm}^3\, {\rm s}^{-1}$ for the $4\tau$ channel, both well below the thermal relic cross-section. In fact, the combination of CTA and SWGO will be able to probe cross-sections below the thermal relic value for dark matter particles in the whole mass range between 100 GeV and 100 TeV in the $4q$ and $4\tau$ channels, and between 100 GeV and $\sim$40 TeV in the $4b$ channel.Comment: 20 page

Search for Gamma-ray Line Signatures with H.E.S.S

Many results from astrophysical observations point to a 27% contribution of non-baryonic dark matter to the mass-energy budget of the universe. Although still elusive, strongly motivated candidates in form of weakly interacting massive particles could explain the nature of dark matter, and their annihilation or decay would give rise to detectable signatures in gamma-rays. In 2012, the H.E.S.S. collaboration started taking data with the largest imaging atmospheric Cherenkov telescope in the world which significantly lowered the energy threshold of the already operational four-telescope system. In particular, due to its location and improved performance at low energies, the H.E.S.S. experiment is now in a position to extend the search for dark matter line signals down to the 100 GeV mass range. The sensitivity to line searches with a new full likelihood approach will be discussed and preliminary results from observations with the second phase of H.E.S.S. will be presented.Comment: ICRC 2015 Conference Proceeding, 8 pages, 5 figures, 1 tabl

Gamma ray constraints on Decaying Dark Matter

18 pages, 3 figuresInternational audienceWe derive new bounds on decaying Dark Matter from the gamma ray measurements of (i) the isotropic residual (extragalactic) background by Fermi and (ii) the Fornax galaxy cluster by HESS. We find that those from (i) are among the most stringent constraints currently available, for a large range of DM masses and a variety of decay modes, excluding half-lives up to ~10^26 to few 10^27 seconds. In particular, they rule out the interpretation in terms of decaying DM of the e^\pm spectral features in Pamela, Fermi and HESS, unless very conservative choices are adopted. We also discuss future prospects for CTA bounds from Fornax which, contrary to the present HESS constraints of (ii), may allow for an interesting improvement and may become better than those from the current or future extragalactic Fermi data

Dark matter line searches towards dwarf galaxies with H.E.S.S

High energy $gamma$-rays are powerful probes in the search for annihilations of dark matter (DM) par- ticles in dense environments. In several DM particle models their annihilation produces characteristic features such as lines, bumps or cut-offs in their energy spectrum. The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) of imaging atmospheric Cherenkov telescopes is perfectly suited to search for such features from multi-TeV mass DM particles. The Dwarf Spheroidal Galaxies (dSphs) of the Local Group are the most common satellites of the Milky Way and assumed to be gravitationally bound dominantly by DM, with up to O(10 3 ) times more mass in DM than in visible matter. Over the past decade, several observational campaigns on dwarf satellite galaxies were launched by H.E.S.S. amounting to more than 140 hours of exposure in total. The observations are reviewed here. In the absence of clear signals, the expected spectral and spatial morphologies of signal and background are used to derive constraints on the DM particle annihilation cross- section for particle models producing line-like signals. The combination of the data of all the dwarf galaxies allows a significant improvement in the HESS sensitivity

Recherche indirecte de matière noire, et le Centre Galactique à très haute énergie avec H.E.S.S.

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is an array of four identical imaging atmospheric Cherenkov telescopes, designed to observe very high energy gamma-rays (E > 100 GeV). The observation of such gamma-rays plays a crucial role in the understanding of extreme non-thermal phenomena in the Universe. These gamma-rays can be used for instance to search for annihilations of dark matter particles in dense environments of the Universe.This thesis presents a series of data analysis and phenomenological studies on two main subject of the gamma-ray astronomy: the indirect searches of dark matter, and the study of the Galactic Center region. The indirect dark matter searches focus on the study of two classes of targets: dwarf galaxies and galaxy clusters. A detailed study of the H.E.S.S. observations towards the Sculptor and Carina dwarf galaxies, and towards the Fornax galaxy cluster are presented. In the absence of a significant signal coming from these object, constraints on the annihilation cross section of dark matter particle candidates are derived. Particular consideration is given to different processes from particle physics and astrophysics which might give rise to additional contributions to the signal expected from a dark matter particle annihilation, such as the Sommerfeld effect and dark matter halo substructures. The current H.E.S.S. dark matter constraints towards the Sagittarius are updated in light of recent realistic dark matter halo models. A prospect on the sensitivity of the future generation of Cherenkov telescopes, i.e. CTA (Cherenkov Telescope Array), for the detection of a dark matter annihilation signal and conventional gamma-ray emissions are also given.The second subject of this thesis provides a detailed analysis of the VHE gamma-ray data from the Galactic Center region observed by H.E.S.S. This was possible thanks to the deep exposure of this region, achieved by the H.E.S.S. experiment throughout the 2004-2011 period. The analysis and spectral reconstruction of the central source and the diffuse emission around this region are presented. A spectral subtraction of the diffuse emission contribution to the HESS J1745-290 spectral is performed and allows to recover the intrinsic central source spectrum. The spectral morphology of the diffuse emission region suggests the possibility of various accelerators being responsible for the observed emission.H.E.S.S. est un réseau de quatre imageurs Cherenkov atmosphérique, conçu pour détecter des rayons gamma de très haute énergie (E > 100 GeV). La nouvelle génération de télescopes de rayonnement Cherenkov, notamment le projet CTA (Cherenkov Telescope Array en anglais), permettra un gain en sensibilité d'un facteur dix par rapport aux expériences actuelles, ainsi qu'un élargissement de la gamme énergétique accessible (qui couvrira quatre ordres de grandeur, de la dizaine de GeV à la centaine de TeV). Ces rayons gamma de très haute énergie peuvent être utilisés entre autre pour rechercher l’annihilation de particules de matière noire dans des environnements denses de l’Univers. La dynamique des galaxies naines montrent que ces objets sont des environnements dominées par la matière noire. Plusieurs campagnes d'observation sur des galaxies naines satellites de la Voie lactée ont été lancées par HESS. Une étude détaillée des observations des galaxies naines du Sculptor, Carina et Sagittaire sont présentées. En l'absence de détection des signaux clairs venant de Sculptor et Carina, des contraintes sur la section efficace d’annihilation de particules candidates à expliquer la matière noire ont été calculés dans des différents scénarios de physique des particules. Plusieurs cas de modélisation du profil de densité du halo de matière noire de ces galaxies sont traités. Certains scénarios impliquant des amplifications du signal en rayons gammas, soit d'origine de physique de particule, comme l'effet Sommerfeld, le deuxième par le Bremsstrahlung interne, soit d'origines astrophysiques, comme la contribution des sous-halos de matière noire au signal total. En suite le cas de la galaxie naine sphéroïdal du Sagittaire est particulièrement étudié et une révision de la modélisation du halo de Sagittaire par H.E.S.S. a été effectuée. Une nouvelle méthode d’extraction du profil de densité de matière noire est présentée et appliqué au cas de Sagittaire. Cette méthode est basée sur la modélisation des bras d’étoiles formés par l’effet de marée de la Voie-Lactée sur la galaxie du Sagittaire.Outre les galaxies naines sphéroïdales, des amas des galaxies sont des objets astrophysiques extrêmement dominées gravitationnellement par la matière noire. Malgré le fait que les amas de galaxies sont situés à des distances beaucoup plus lointaines que les galaxies naines, leur très forte luminosité d’annihilation de matière noire a été prédite suffisante pour qu’un signal gamma soit détectable avec les télescopes actuels. Les observations de l’amas de galaxies de Fornax sont présentées. L’analyse a été effectué avec plusieurs angles ouvertures pour l’intégration du signal, des angles d’ouverture jusqu’à 1° de rayon ont été utilisés. L’avantage étant de pouvoir inclure l’effet des sous-structures de matière noire, dans la forme de sous-halos prédit par les simulations à N-corps, dans le calcul des contraintes sur l’annihilation de matière noire. Divers effets secondaires à l’annihilation des particules de matière noire, liées à l’accélération et propagation des particules produites lors de l’annihilation primaire sont étudiés. Enfin une étude détaillée de la région du Centre Galactique en rayon gamma est effectué. Ceci étant possible grâce à la profonde exposition en temps sur cette région, obtenue par H .E.S.S. tout au long des dernières années. L’évolution temporelle et spatiale de plusieurs caractéristiques spectrales de la source centrale et de l’émission diffuse dans cette région est présentée. A partir de cette étude, la soustraction de la contamination spectrale de l’émission diffuse dans le spectre de HESS J1745-290 permet de retrouver le « vrai » spectre de la source centrale. L’analyse de l’évolution spatiale du spectre dans la région d’émission diffuse révèle finalement une tendance très claire lorsque nous nous éloignons de la source centrale. L’étude de cette tendance permet de contraindre les modèles d’accélération et propagation des rayons cosmiques responsables de l’émission diffuse

Recherche indirecte de matière noire et étude du centre galactique à très haute énergie avec le réseau de télescopes H.E.S.S

Cette thèse présente un ensemble de travaux d'analyse de données et phénoménologiques relatifs à deux sujets majeurs de l'astronomie y: la recherche indirecte de matière noire et l'étude de la région du Centre Galactique avec le réseau de télescopes H.E.S.S. La recherche de matière noire se concentre sur l'étude de deux classes d'objets privilégiées: les galaxies naines et les amas de galaxies. Les études détaillées des observations des galaxies naines Sculptor et Carina, et de l'amas de galaxies Fornax par H.E.S.S. sont présentées. En l'absence de détection des signaux significatifs venant de ces objets, des contraintes sur la section de efficace d'annihilation particules de matière noire ont été calculées. D'autre part, les contraintes H.E.S.S. en direction de la galaxie naine Sagittarius sont mises à jour en lumière des profils de halos de matière noire plus réalistes. Le potentiel de la future génération de télescopes Cherenkov au sol, CTA (Cherenkov Télescope Array), à la détection d'un signal d'annihilation de matière noire et des signaux astrophysiques standard est aussi défini. Le deuxième thème de cette thèse est consacré à l'étude détaillée de la région du Centre Galactique observée par H.E.S.S. entre 2004-2011, L'analyse et la reconstruction spectrale de la source centrale et de l'émission diffuse dans cette région sont présentées. La soustraction de la contamination spectrale de l'émission diffuse dans le spectre de HESS J1745-290 permet de retrouver le spectre intrinsèque de la source centrale. L'analyse de la morphologie spectrale de la région d'émission diffuse suggère finalement que plusieurs accélérateurs peuvent être à l'origine de cette émission.This thesis presents a series of data analysis and phenomenological studies on two main subject of the y-ray astronomy: the indirect searches of dark matter, and the study of the Galactic Center region with the H.E.S.S. telescope array. The indirect dark matter searches focus on the study of two classes of targets: dwarf galaxies and galaxy clusters. A detailed study of the H.E.S.S. observations towards the Sculptor and Carina dwarf galaxies, and towards the Fornax galaxy cluster are presented. In the absence of a significant signal coming from these object, constraints on the annihilation cross section of dark matter particle candidates are derived. The current H.E.S.S. dark matter constraints towards the Sagittarius are updated in light of recent realistic dark matter halo models. A prospect on the sensitivity of the future generation of Cherenkov telescopes, Le. CTA (Cherenkov Telescope Array), for the detection of a dark matter annihilation signal and conventional y-ray emissions is also given. The second subject of this thesis provides a detailed analysis of the very high energy y-ray data from the Galactic Center region observed by the H.E.S.S. experiment throughout the 2004-2011 period. The analysis and spectral reconstruction of the central source and the diffuse emission around this regioi are presented. A spectral subtraction of the diffuse emission contribution to the HESS J1745-2 spectral is performed and allows to recover the intrinsic central source spectrum. The spectra morphology of the diffuse emission region suggests the possibility of various accelerators being responsible for the observed emission.PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF

Otimização em detecção indireta de matéria escura

Neste trabalho nós tratamos o problema da otimização das técnicas de busca por matéria escura através de observações indiretas. Em particular nós nos interessamos pelo estudo da dependência da relação sinal-ruído em relação à janela angular utilizada nas observações de raios gama vindos da Via-Láctea e do Universo, levando em consideração diferentes modelos astrofísicos e supersimétricos de matéria escura. Nós analisamos o caso onde há aniquilação de matéria escura, tendo como candidatos para partícula de matéria escura diferentes modelos de neutralino, e o caso onde há desintegração de matéria escura, tendo como candidatos para partícula de matéria escura diferentes modelos de gravitino. Contrariamente ao que se é normalmente assumido, nós mostramos que a melhor estratégia seria de concentrar as buscas por um sinal de matéria escura em janelas angulares que excluem o disco galáctico, e o tamanho ótimo dessas janelas dependerá da distribuição angular do sinal e do fundo de raios gama. Finalmente nós utilizamos nossa análise para dar previsões sobre a possibilidade de detecção de um sinal provindo tanto da aniquilação quanto da desintegração de matéria escura, utilizando os dados que serão obtidos pelo telescópio espacial GLAST