Indirect dark matter searches: MAGIC & CTA

Abstract

Després de dècades d'observacions, és evident que les partíicules del model estàndard són insuficients per explicar el fort desequilibri gravitacional observat a diverses regions astronòmiques, de diferents escales cosmològiques, des de satèl·lits de la Via Làctia fins a cúmuls de galàxies. Si bé és veritat que algunes teories suggereixen a una modificació de les lleis gravitacionals actuals, l'existència d'una partícula (o un grup de partícules) nova, interaccionant de forma feble amb les partícules del model estàndard està considerada com l'opció més viable. Estimacions recents prediuen que aquest tipus de matèria fosca és 4 vegades més present que la matèria del model estàndard, modelant així la formació de les grans estructures de l'univers al llarg de la vida d'aquest. Un escenari general de la matèria fosca és el dels WIMPs, partícules genèriques massives, amb masses entre pocs GeVs i alguns TeV, interaccions de l'ordre de les interaccions dèbils del model estàndard, i o bé estables o amb temps de vida mitjana prou llargs. L'escenari WIMP ha estat llargament debatut, i té l'avantatja d'estar a l'abast dels instruments més potents construïts a la terra, proporcionant així possibles deteccions independents que podria validar el descobriment.

En particular em centro en cerques indirectes de matèria fosca, on s'espera que WIMPs anihilats o decaient emetin rajos gamma amb energies detectables per telescopis IACT, com per exemple els telescopis MAGIC, actualment operant des de La Palma o la futura xarxa de telescopis CTA. El senyal esperat de rajos gamma d'aquesta matèria fosca pot ser moderadament extensa, comparada amb el camp de visió dels IACTs, cosa que afegeix certa complexitat a les cerques de matèria fosca realitzades per a aquests telescopis.

En aquesta tesi, he contribuït a l'esforç realitzat per MAGIC en cerques indirectes de matèria fosca a diferents nivells d'analisis. He desenvolupat una eina per gestionar volums massius de dades que són típicament generats per MAGIC, però també per tota la comunitat experimental de física d'altes energies. També he desenvolupat un MonteCarlo per a fonts extenses que s'ajusta a l'emissió esperada de la font, obtenint així les funcions correctes de resposta de l'instrument. Finalment, un mètode per a optimitzar la configuració d'apuntat durant les observacions de fonts moderadament extenses amb IACTs ha estat proposat. El mètode té en compte la resposta finita dels IACTs al llarg de tot el camp de visió per a proporcionar la distància òptima a la qual el telescopi ha d'apuntar a la font, així com, quina seria la regió d'integració més adient. Apliquem aquest mètode per primera vegada a cerques de matèria fosca en galàxies satèl·lits de la Via Làctia. També exposo la meva contribució al telescopi més gran que operarà a CTA, el LST, que dominarà la sensibilitat de cerques de WIMPs estàndard.

Límits a la secció eficaç i/o temps de vida mitjana són imposats mitjançant 60 hores d'observació de la galàxia Triangulum-II i 202 hores del cúmul de galàxies de Perseus. En ambdues cerques, fem ús del mètode de màxima versemblança, optimitzat per a la morfologia espacial i energètica del senyal esperat de rajos gamma. Obtenim sensibilitats a la secció eficaç de 3·10^{-26}~\cm^{3}\s^{-1} i temps de vida mitjana de 0.3·10^{25}~\s, essent aquests els resultats més restrictius obtinguts amb MAGIC en cerques de WIMPs.

Decades of observational evidences have been accumulated to show that Standard Model (SM) particles cannot totally explain the strong gravitational unbalance observed in several astronomical regions, at all cosmological scales, from that of Milky Way (MW) satellite galaxies, to that of Cluster of Galaxies (CGs). Although some theories argue for the modification of the gravitational laws, the existence of a new massive particle (or a set of them), interacting only weakly with SM particles, provides a preferred explanation. It is estimated that this form of Dark Matter (DM) roughly accounts for 4 times the amount of SM matter, therefore shaping the evolution of cosmic structures along the history of the Universe. A well-motivated general framework for DM is that of a Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), generic massive particles with a mass range expected between few GeVs and few hundreds TeV, interaction strengths at the weak scale, and either stable or very long lived. The WIMP paradigm has been long debated, and has the advantage of being at reach by different of the top-class instruments of the current times, so that a putative discovery could be validated independently.

We focus on the indirect search of DM, where annihilating or decaying WIMPs are expected to emit gamma rays at energies detectable by Imaginc Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs), as the currently operating MAGIC telescopes or the future Cherenkov Telescope Array (CTA). The expected DM signal can be moderate extended when compared to IACTs Field of View (FoV), what challenges the performance of the \acrshort{dm} search of these instruments.

In this thesis, I contribute to the MAGIC ongoing efforts on indirect DM searches at different analysis levels. A tool for handling the massive data products generated by current high energy experiments is developed. More over, a tailored Monte Carlo (MC) for moderate extended sources is proposed as an upgrade of the current general MC for extended sources. Finally, a method to optimize the pointing strategy of IACTs while observing moderate extended sources taking into account the off-axis performance of the instrument has also been developed and, implemented for the first time to indirect DM searches on highly DM dominated nearby dwarf Sphereoidal galaxies (dSphs). I also show my contribution to the largest telescope to be part of CTA, the Large Size Telescopes, that will dominate the CTA sensitivity for standard WIMP searches.

Constraints on the WIMP thermally averaged cross-section and/or decay life-time are put with 60~hours of data in the recently discovered dSph Triangulum-II and 202~hours on the Perseus CG. On both searches, we apply a binned likelihood analysis optimized for the spectral and morphological features of gamma-ray signals of DM from annihilating or decaying WIMPs. We reach sensitivities to the thermally averaged cross-section of 3·10^{-26}~\cm^{3}\s^{-1} and decay life-times of 0.3·\times10^{25}~\s, being this the most constraining MAGIC results on WIMP searches.