Unveiling the nature of dark matter with high redshift 21 cm line experiments

Observations of the redshifted 21 cm line from neutral hydrogen will open a new window on the early Universe. By influencing the thermal and ionization history of the intergalactic medium (IGM), annihilating dark matter (DM) can leave a detectable imprint in the 21 cm signal. Building on the publicly available 21cmFAST code, we compute the 21 cm signal for a 10 GeV WIMP DM candidate. The most pronounced role of DM annihilations is in heating the IGM earlier and more uniformly than astrophysical sources of X-rays. This leaves several unambiguous, qualitative signatures in the redshift evolution of the large-scale ($k\approx0.1$ Mpc$^{-1}$) 21 cm power amplitude: (i) the local maximum (peak) associated with IGM heating can be lower than the other maxima; (ii) the heating peak can occur while the IGM is in emission against the cosmic microwave background (CMB); (iii) there can be a dramatic drop in power (a global minimum) corresponding to the epoch when the IGM temperature is comparable to the CMB temperature. These signatures are robust to astrophysical uncertainties, and will be easily detectable with second generation interferometers. We also briefly show that decaying warm dark matter has a negligible role in heating the IGM.Comment: 17 pages, 5 figures. Published in JCA

Emissione diffusa di neutrini dalla Galassia

La fisica dei neutrini è uno dei settori più attivi nella ricerca teorica e sperimentale. Essendo particelle molto leggere e con una sezione d'urto di interazione con la materia molto piccola, l'indagine delle loro proprietà è allo stesso tempo impegnativa e stimolante. Infatti il loro carattere elusivo li rende efficienti portatori di informazione per numerose sorgenti astrofisiche. Non essendo deflessi dai campi magnetici e potendo attraversare enormi densità di colonna senza subire praticamente attenuazione, i neutrini possono fornirci indicazioni dirette delle caratteristiche dei siti in cui vengono prodotti che, in alcuni casi, sarebbero inaccessibili usando le altre forme di radiazione. ANTARES e NEMO sono apparati sperimentali in fase di costruzione con lo scopo di rivelare i neutrini di alta energia che provengono dal cosmo. Saranno rivelatori Cerenkov posti in profondità nel Mar Mediterraneo, capaci di raccogliere la luce emessa dai muoni prodotti nelle interazioni di corrente carica dei neutrini muonici cosmici con l'acqua o con il mantello terrestre così come gli eventi showers prodotti dai neutrini di qualunque flavor all'interno del rivelatore. L'intervallo di energia a cui saranno maggiormente sensibili è quello del TeV-PeV ed avranno una risoluzione angolare migliore di un grado. Lo studio dei neutrini di energia dell'ordine del TeV può aiutarci a svelare i meccanismi con cui vengono accelerate e propagate dai loro siti di accelerazione le particelle cariche che giungono di continuo sulla Terra e che sono note come Raggi Cosmici. La teoria più accreditata per quanto concerne il meccanismo di accelerazione prevede che i raggi cosmici di alta energia (almeno fino all'energia del ginocchio dello spettro, sebbene qualche modello spinga la stima ad energie più elevate) vengano accelerati dal frequente attraversamento del fronte di shock dei residui di un'esplosione di Supernova. Sebbene la recente osservazione di fotoni di alta energia da alcuni di questi oggetti abbia fornito convincenti indizi a conferma di questo scenario, una prova definitiva della sua validità è ancora attesa. La rivelazione di neutrini di alta energia da queste sorgenti potrebbe fornire la chiara evidenza che un meccanismo capace di accelerare i nuclei è attivo. Il numero di eventi attesi da queste sorgenti nei telescopi di prossima generazione è di qualche neutrino per anno. Il contributo maggiore al flusso osservato potrebbe però essere il segnale diffuso, complementare a quello delle sorgenti puntiformi nella identificazione dell'emissione in neutrini del cielo. Per energie dell'ordine del TeV il meccanismo che maggiormente può contribuire al flusso diffuso di neutrini è l'emissione dall'intera Galassia dovuta al decadimento dei mesoni prodotti nell'interazione dei raggi cosmici galattici con il mezzo interstellare. I raggi cosmici di energia fino a 10^8 GeV sono difatti confinati all'interno della Galassia (ovvero riescono ad uscirne dopo un tempo molto maggiore di quello di attraversamento lungo una linea diritta) a causa della presenza di un campo magnetico altamente turbolento che ne deflette continuamente le traiettorie. Preliminare ad ogni tentativo di affrontare il problema dello studio della propagazione di queste particelle in termini di una equazione di diffusione è lo studio dettagliato della distribuzione delle sorgenti, del campo magnetico galattico e dello spettro spaziale della componente turbolenta. Infine, la distribuzione del mezzo interstellare, in quanto bersaglio del mare dei raggi cosmici, è un essenziale parametro del problema. Nel presente lavoro è stato sviluppato un codice numerico per risolvere l'equazione di diffusione che descrive la propagazione dei raggi cosmici nella Galassia. Poiché ad oggi i parametri fisici della Galassia sono solo parzialmente noti dalle osservazioni, la soluzione è stata ottenuta per diverse configurazioni dei campi magnetici galattici e della distribuzione delle sorgenti così come possono essere ricavate dai dati osservativi a disposizione e da considerazioni di plausibilità. Le più importanti novità del codice presentato, rispetto a quanto già in letteratura, sono l'uso di coefficienti di diffusione ottenuti da recenti simulazioni numeriche per il range di rigidità ed i livelli di turbolenza di interesse per il presente lavoro ed una analisi più dettagliata della struttura della Galassia. Il passo successivo è stato di studiare il processo di emissione di neutrini nelle interazioni nucleo-protone, questo ha permesso di costruire una mappa del cielo in neutrini per ciascuna delle soluzioni ottenuta dall'equazione di diffusione. Il confronto delle mappe simulate con quelle che saranno determinate sperimentalmente fornirà importanti informazioni sulle questioni relative alla propagazione dei raggi cosmici nella Galassia, in particolare di grande interesse astrofisico sarà la possibilità di indagare la distribuzione delle sorgenti, la struttura e l'intensità dei campi magnetici galattici, la distribuzione del mezzo interstellare. Le opportunità che esperimenti come ANTARES e NEMO mettono a disposizione, grazie alla buona risoluzione angolare e all'efficace sottrazione del background dei neutrini atmosferici dovuta al loro particolare setup, hanno permesso di considerare nel presente lavoro, rispetto a quanto in letteratura, anche i neutrini compresi tra 10-100 TeV, il cui numero di eventi atteso è di circa un ordine di grandezza maggiore di quelli di energia più elevata

Cosmic-ray transport in the heliosphere with HelioProp

Before being detected at Earth, charged cosmic rays propagate across the Solar System and undergo interactions with the turbulent solar wind and with the heliospheric magnetic field. As a result, they are subject to a series of processes that include diffusion, convection, energy losses and drifts, which significantly affect the shape and the intensity of the cosmic-ray fluxes at low energies. Here we illustrate how all these mechanisms can be realistically modelled with HelioProp, our public tool designed to treat cosmic-ray transport through the heliosphere in a charge-dependent way. We present a detailed description of the features of the code and we illustrate in a quantitative way the effects that the propagation in the heliosphere can have on the different cosmic-ray species with a particular emphasis on the antiparticle channels relevant for dark matter indirect detection.Comment: 8 pages, 2 figures. Proceedings of the 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2017), Bexco, Busan, Kore

Cosmic microwave background constraints on light dark matter candidates

Unveiling the nature of cosmic dark matter (DM) is an urgent issue in cosmology. Here we make use of a strategy based on the search for the imprints left on the cosmic microwave background temperature and polarization spectra by the energy deposition due to annihilations of the most promising dark matter candidate, a stable WIMP of mass 1-20 GeV. A major improvement with respect to previous similar studies is a detailed treatment of the annihilation cascade and its energy deposition in the cosmic gas. This is vital as this quantity is degenerate with the annihilation cross-section . The strongest constraints are obtained from Monte Carlo Markov chain analysis of the combined WMAP7 and SPT datasets up to lmax = 3100. If annihilation occurs via the e+e- channel, a light WIMP can be excluded at the 2 {\sigma} c.l. as a viable DM candidate in the above mass range. However, if annihilation occurs via {\mu}+{\mu}- or {\tau}+{\tau}- channels instead we find that WIMPs with mass > 5 GeV might represent a viable cosmological DM candidate. We compare the results obtained in the present work with those obtained adopting an analytical simplified model for the energy deposition process widely used in literature, and we found that realistic energy deposition descriptions can influence the resulting constrains up to 60%.Comment: 10 pages, 8 figures, 5 tables. Accepted for publication in MNRA

The role of turbulence in interstellar and intergalactic environments

This thesis aim at studying the role of turbulence in different astrophysical environments. In fact, turbulence has been observed in a large variety of astrophysical sites, making turbulence one of the most important physical processes under investigation in astrophysics thanks to the contribution of either huge computer simulations and tough analytical treatments

Reionization during the dark ages from a cosmic axion background

Recently it has been pointed out that a cosmic background of relativistic axion-like particles (ALPs) would be produced by the primordial decays of heavy fields in the post-inflation epoch, contributing to the extra-radiation content in the Universe today. Primordial magnetic fields would trigger conversions of these ALPs into sub-MeV photons during the dark ages. This photon flux would produce an early reionization of the Universe, leaving a significant imprint on the total optical depth to recombination $\tau$. Using the current measurement of $\tau$ and the limit on the extra-radiation content $\Delta N_{\rm eff}$ by the Planck experiment we put a strong bound on the ALP-photon conversions. Namely we obtain upper limits on the product of the photon-ALP coupling constant $g_{a\gamma}$ times the magnetic field strength $B$ down to $g_{a\gamma} B \gtrsim 6 \times 10^{-18} \textrm{GeV}^{-1} \textrm{nG}$ for ultralight ALPs.Comment: 23 pages, 6 figures. Minor changes, references added. Prepared for publication in JCA