Search for gamma-ray signals from dark matter annihilation or decay at the Draco dwarf galaxy and the Galactic halo with MAGIC

Abstract

Les observacions astrofísiques i cosmològiques afirmen de la existència d’una forma de matèria no bariònica i invisible, anomenada Matèria Fosca (DM), que representa el 85% de la massa total de l’Univers. Entre els numerosos models, la “Weakly Interacting Massive Particle”, una classe de partícules que no formen part del model estàndar (SM), representa un dels millors candidats de DM, en el moment que compleix la característica requerida per el model cosmològic actual per a DM: ser débilment interactiu amb la matèria ordinaria, no relativista (DM freda) i estable a escala cosmològica. Se suposa, que els WIMPs tenen una massa entre uns pocs GeV i centenars de TeV, i produeixen partícules del SM mitjançant aniquilació o desintegració. La cerca indirecta de firmes de DM a través dels raigs γ d’origen astrofísic, és molt prometedora, ja que aquestes senyals provenen directament de la font emissora i contenen característiques que no estan relacionades amb cap altre objecte astrofísic. A més, la DM ha impulsat l’evolució històrica de l’Univers, degut a que la matèria bariònica s’ha acumulat en les sobredensitats de DM, creant totes les estructures que veiem avuí dia. Com a conseqüència, galaxies, galaxies satèlits i altres estructures, s’ha format dins d’un halo de DM, amb una densitat que arriba al seu punt màxim en el centre de la galàxia i, disminueix cap a l’exterior. La Vía Láctea i les seves galàxies nanes satèlit representen els objectes dominats per DM més propers a la Terra. En aquesta tèsis presento els resultats de les observacions de la galàxia nana Draco i la regió extesa del halo Galàctic de DM utilitzant els telescopis MAGIC. Ambdós objectes tenen diferents característiques: Draco és moderadament extesa per a MAGIC i pot tractar-se amb un anàlisis estàndar, mentre que la regió del halo està molt extesa i la regió de la senyal esperada va molt més enllà del camp de visió de MAGIC. El nou enfocament que he considerat per observar amb èxit el halo galàctic, consisteix en comparar parells d’observacions realitzades a diferents distàncies angulars del Centre Galàctic, seleccionant, de tal manera, que tots els components difusos es cancel·lin, excepte per als que venen de la DM. Per a mantenir l’incertesa sistemàtica d’aquest mètode d’estimació del fons al mínim, els parells d’observació s’han adquirit durant les mateixes nits, seguint exactament els mateixos camins d’azimut i zenit amb excel·lents condicions climàtiques. Un 20% de les dades s’han utilitzat per determinar el nivell d’errors sistemàtics, mentre que la resta s’han utilitzat per restringir la secció eficaç promitja de la DM i / o la seva vida mitja. Un anàlisis de màxima probabilitat (likelihood) optimizada, per a explorar les característiques del espectre d’aniquilació i desintegrament de la DM, s’aplica a les dades dels dos objectes. No s’ha trobat cap indici de DM en ambdues mostres de dades, el que limita la secció eficaç promitja a ∼10^-23 cm^3/s i la vida mitja de la DM a ∼10^26 s.

Las observaciones astrofísicas y cosmológicas afirman la existencia de una forma de materia no bariónica y invisible, llamada Materia Oscura (DM), que representa el 85% de la masa total del Universo. Entre los numerosos modelos, la “Weakly Interacting Massive Particle”, una clase de partículas que no pertenecen al modelo estándar (SM), representa uno de los mejores candidatos de DM, de momento que satisface la característica requerida del modelo cosmológico actual para DM: ser débilmente interactivo con la materia ordinaria, no relativista (DM fría) y estable a escala cosmológica. Se supone, que las WIMPs tienen una masa entre unos pocos GeV y cientos de TeV, y producen partículas del SM mediante aniquilación o desintegración. La búsqueda indirecta de firmas de DM a través de los rayos γ de origen astrofísico, es muy prometedora, ya que estas señales llegan directamente de la fuente emisora y contienen características que no están relacionadas con ningún otro objecto astrofísico. Además, la DM ha impulsado la evolución histórica del Universo, ya que la materia bariónica se ha acumulado en las sobredensidades de DM, creando todas las estructuras que vemos hoy en día. Como consecuencia, galaxias, galaxias satélites y otras estructuras, se ha formado dentro de un halo de DM, con una densidad que alcanza su punto máximo hacia el centro de la galaxia y disminuye hacia el exterior. La Vía Láctea y sus galaxias enanas satélites representan los objetos dominados por DM más cercanos a la Tierra. En esta tesis presento los resultados de las observaciones de la galaxia enana Draco y la región extendida del halo Galáctico de DM con los telescopios MAGIC. Los dos objetos tienen diferentes características: Draco es moderadamente extendido para MAGIC y puede tratarse con una análisis estándar, mientras que la región del halo está muy extendida y la región de la señal esperada va mucho más allá del campo de visión de MAGIC. El nuevo enfoque que he considerado para observar con éxito el halo galáctico, consiste en comparar pares de observaciones realizadas a diferentes distancias angulares del Centro Galáctico, seleccionado de tal manera que todos los componentes difusos se cancelen, excepto para los que vienen del DM. Para mantener la incertidumbre sistemática de este método de estimación del fondo al mínimo, los pares de observación se han adquirido durante las mismas noches, siguiendo exactamente los mismos caminos de azimut y cenit con excelentes condiciones climáticas. Un 20% de los datos se ha utilizado para determinar el nivel del sistemático, mientras que el resto se utiliza para restringir la sección efficaz promedia de DM y / o su vida media. Un análisis de máxima probabilidad (likelihood) optimizada, para explotar la características del espectro de aniquilación y desintegración de DM, se aplica a los datos de los dos objectos. Ningún indicio de DM se ha encontrado en ambas muestras de datos, lo que va a limitar la sección efficaz promedia hasta ∼10^&-23 cm^3 /s y la vida media del DM hasta ∼10^26 s.

Astrophysical and cosmological observations affirm the existence of a non-baryonic and invisible form of matter, called Dark Matter, accounting for the 85% of the total mass of the Universe. Among the numerous models, the Weakly Interacting Massive Particle, a class of non-standard model(SM) particles, represents one of the best candidate as DM, as fit the characteristic request by the current cosmological model for DM: weakly interactive with ordinary matter, non-relativistic (cold DM), and stable at cosmological scale. WIMPs particles are supposed to have a mass between few GeVs and hundreds of TeV, and to produce SM particles through annihilation or decay. Indirect search for DM signature in the astrophysical γ rays is very promising, since they point directly to the emitting source and γ-ray spectra from DM contains features that are related with no other astrophysical object except DM. Moreover, DM drove the historical evolution of the Universe, since baryonic matter accu- mulate in the DM over-densities, creating all the structures we see nowadays. Consequently, galaxies, satellite galaxies, and other structures, formed inside a DM halo, with a density peaked towards the center of the Galaxy and decreasing toward the outer region. Milky Way and its dwarf satellite galaxies represent the closest DM dominated objects. In this thesis I present the results from the observations of the Draco dwarf galaxy and the extended region of the Galactic DM halo. These targets have different characteristic: Draco is a moderate-extended source for MAGIC and can be treated with the standard analysis chain, while the halo region is very extended and the expected signal region goes far beyond the MAGIC field of view. The new approach I considered for observing successfully GH, consists in comparing pairs of observations performed at different angular distances from the Galactic Center, selected in such a way that all the diffuse components cancel out, except for those coming from the DM. In order to keep the systematic uncertainty of this novel background estimation method down to a minimum, the observation pairs have been acquired during the same nights, follow exactly the same azimuth and zenith paths with excellent weather conditions. A 20% of the data was used to determine the systematic level, while the rest is used to constraint the DM thermally averaged cross-section and/or the lifetime. For both searches, a binned maximum-likelihood analysis optimized for exploiting the spectra feature of DM annihilation and decay, is applied on both data sets. No hints of DM have been found in both data sample, constraining the thermally averaged cross-section down to ∼10^&–23 cm^3/s and the DM lifetime up to ∼10^26 s.