Indirect Search for WIMP Dark Matter with the MAGIC Telescopes

Abstract

La naturalesa de la matèria fosca (DM) de l’univers segueix essent un misteri a dia d’avui malgrat els esforços de la comunitat científica. D’entre les partícules candidates, més enllà del model estàndard de física de partícules, destaca la Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) com una de les més prometedores. S’estima la seva massa entre pocs GeV i centenars de TeV, encaixant perfectament en l’interval d’energies testejades per a la cerca indirecta de la DM. Els telescopis MAGIC, situats a l’Observatorio del Roque de los Muchachos, a l’illa canària de La Palma, fan cerques indirectes de les WIMP des que van entrar en funcionament. Els objectes observats més comuns amb aquest objectiu són les galàxies nanes esferoïdals (dSphs) satèl·lits de la Via Làctia i el centre galàctic amb el seu halo.

En aquesta tesis presento el resultat de les cerques indirectes d’anihilació de WIMPs en tres diferents objectes d’observació (el cúmul globular M15 i les dSphs Draco i Coma Berenices), així com els resultats obtinguts a partir de la combinació de les dades de les dues dSphs estudiades i dues dSphs analitzades prèviament dins de la col·laboració MAGIC. No s’ha trobat cap senyal en qualsevol dels 4 estudis.

L’estudi de M15 ha constituït un repte, debut al modest excés de densitat de DM que se suposa hi ha en aquest tipus d’objectes i a les grans incerteses sistemàtiques associades als perfils de dispersió de la velocitat de les estrelles en els seus centres. Per tal d’obtenir una estimació de les sensibilitats que es poden obtenir amb aquest tipus d’anàlisis, s’han considerat quatre diferents perfils de densitat de DM en M15. S’han obtingut límits superiors estadístics sobre la mitjana de la secció eficaç d’anihilació de WIMPs multiplicada per la velocitat (en endavant velocity-averaged cross-section) considerant perfils de densitat de DM proporcionats en els treballs de H.E.S.S. i VERITAS. Els resultats obtinguts són compatibles amb els presentats en les seves respectives publicacions. Addicionalment, s’han trobat límits superior de prova considerant perfils de densitat de M15 i del seu contingut en matèria no bariònica en un escenari d’un cos dominat per DM. Els límits obtinguts amb aquest mètode són millors que els que s’obtenen amb les més prometedores dSphs, però al mateix temps són poc realistes i proporcionen només un valor mínim de la velocity-averaged cross-section que es pot assolir en M15, a l’espera de noves mesures cinemàtiques en les seves parts centrals.

Les dSphs Draco i Coma Berenices han estat observades amb els telescopis MAGIC dins d’una campanya de diversificació de fonts d’observació plurianual. S’han obtingut límits superiors realistes amb un 95% de nivell de confiança en la velocity-averaged cross-section de WIMPs. La combinació de les dades d’aquestes dues dSphs amb les de les altres dues anteriorment observades amb MAGIC (Segue 1 i Ursa Major II) ha permés de millorar la sensibilitat en la cerca indirecta d’anihilació de WIMPs. Els resultats obtinguts constitueixen el llegat de la col·laboració MAGIC en aquest camp, i són els més restrictius trobats a MAGIC i els més estrictes en l’interval de massa de WIMP ~10-100 TeV en les cerques en astrofísica de raigs gamma, arribant a límits superiors de l’ordre de 10⁻²⁴ cm³/s sobre la velocity-averaged cross-section amb un nivel de confiança del 95%.

En l’última part de la tesis es presenta la meva contribució al desenvolupament i posada a punt del Barcelona Raman LIDAR, un instrument avançat i no comercial optimitzat per a la monitorització de l’atmosfera sobre el Cherenkov Telescope Array.

La naturaleza de la materia oscura (DM) en el universo sigue siendo un enigma a día de hoy a pesar los esfuerzos de la comunidad científica. Entre las partículas candidatas más allá del modelo estándar de física de partículas destaca la Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) como una de las más prometedoras. Su masa se estima entre pocos GeV y cientos de TeV, encajando perfectamente en el intervalo de energías testeadas para la búsqueda indirecta de la materia oscura.

Los telescopios MAGIC, situados en el Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla canaria de La Palma, realizan búsquedas indirectas de WIMP desde que entraron en operación. Los objetos observados más comunes para tal fin son las galaxias esferoidales enanas (dSphs) satélites de la Vía Láctea y el centro galáctico y su halo.

En esta tesis presento el resultado de las búsquedas indirectas de aniquilación de WIMPs en tres diferentes objetos de observación (el cúmulo globular M15 y las dSphs Draco y Coma Berenices) así como los resultados obtenidos a partir de la combinación de los datos de las dos dSphs estudiadas y dos dSphs analizadas previamente dentro de la colaboración MAGIC. No se ha encontrado ninguna señal en cualquiera de los 4 estudios.

El estudio de M15 ha constituido un reto debido al modesto exceso de densidad de DM supuesto en este tipo de objetos y las grandes incertidumbres asociadas a los perfiles de dispersión de la velocidad de las estrellas en sus centros. Para obtener una estimación de las sensibilidades que se pueden obtener en este tipo de análisis, se han considerado cuatro diferentes perfiles de densidad de DM de M15. Se han obtenido límites superiores estadísticos sobre el promedio de la sección eficaz de aniquilación de WIMPs multiplicada por la velocidad (en adelante velocity-averaged cross-section) considerando los perfiles de densidad de DM proporcionados en los trabajos de H.E.S.S. y VERITAS. Los resultados obtenidos son compatibles con los presentados por sus respectivas publicaciones. Adicionalmente, se han encontrado límites superiores de prueba considerando perfiles de densidad de DM obtenidos a partir de la convolución del perfil de densidad de M15 y de su contenido de materia no bariónica en un escenario de un cuerpo dominado por DM. Los límites obtenidos con este método son mejores que los que se obtienen con las más prometedoras dSphs, pero al mismo tiempo son poco realistas y proporcionan solamente un valor mínimo de la velocity-averaged cross-section alcanzable en M15, a la espera de nuevas medidas cinemáticas en sus partes centrales.

Las dSphs Draco y Coma Berenices han sido observadas con los telescopios MAGIC dentro de una campaña de diversificación de fuentes de observación plurianual. Se han obtenido límites superiores realistas con un 95% de nivel de confianza en la velocity-averaged cross-section de WIMPs. La combinación de los datos de estas dos dSphs con los de las otras dos dSphs anteriormente observadas con MAGIC (Segue 1 y Ursa Major II) ha permitido mejorar la sensibilidad en la búsqueda indirecta de aniquilación de WIMPs. Los resultados obtenidos constituyen el legado de la colaboración MAGIC en este campo, y son los más restrictivos alcanzados en MAGIC y los más estrictos en el intervalo de masa de WIMP ~10-100 TeV en las búsquedas en astrofísica de rayos gamma, llegando a límites superiores del orden de 10⁻²⁴ cm³/s sobre la velocity-averaged cross-section con un nivel de confianza del 95%.

En la última parte de la tesis se presenta mi contribución al desarrollo y puesta a punto del Barcelona Raman LIDAR, un instrumento avanzado y no comercial optimizado para la monitorización de la atmósfera encima del Cherenkov Telescope Array.

The nature of Dark Matter (DM) in the Universe is still an enigma at present day, despite the efforts of the scientific community. Among the favorite DM particle candidates beyond the Standard Model of particle physics, the Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) is of the most promising. Predicted to have a mass between few GeV and hundreds of TeV, it fits perfectly in the energy range tested by indirect dark matter searches with Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes.

The MAGIC telescopes, located at the Observatorio del Roque de los Muchachos, on the Canary Island of La Palma, perform indirect DM searches for WIMPs since their very beginning. Among the targets observed, dwarf spheroidal satellite galaxies (dSphs) and the Galactic Center and halo are the most common, both expected to be embedded in a high DM overdensity.

In this thesis I present the outcome of indirect WIMP annihilation searches from three different observation targets (the globular cluster M15 and the dSphs Draco and Coma Berenices) together with the results obtained by a combination of data from the two dSphs studied in this thesis and two dSphs previously analyzed by the MAGIC collaboration. No signal has been observed in any of the four searches.

The study of M15 has been a challenge due to its relatively low DM overdensity predicted and the large systematic uncertainties resulting from the current lack of star velocity dispersion profiles at its core. In order to get an estimate of the sensitivities achievable with this type of analyses, four different realizations of the M15 DM density profile were investigated. Statistical upper limits on the velocity-averaged WIMP annihilation cross-section have been obtained with the use of the DM profiles provided by the H.E.S.S. and VERITAS experiments. The results obtained are compatible with those presented in their respective publications. Further toy statistical upper limits have been obtained taking into account DM density profiles from a convolution of the M15 density profile and its expected non-baryonic matter content in a scenario of DM domination. The limits retrieved with this method are better than the most promising ones from dSphs, but at the same time systematically unreliable, and provide only a minimum value of the velocity-averaged cross-section attainable in M15, awaiting for new kinematic measurements at globular clusters cores.

The dSphs Draco and Coma Berenices were observed during the past years with the MAGIC telescopes within a multi-year diversification campaign. Reliable 95% CL upper limits on the velocity-averaged WIMP annihilation cross-section have been retrieved and are presented in this thesis. The data of these two dSphs are also combined with the ones of the two other dSphs previously observed with the MAGIC telescopes, namely Segue 1 and Ursa Major II, to achieve the best sensitivity for indirect WIMP DM annihilation searches. The results obtained constitute the MAGIC collaboration legacy in this field, and are the most constraining reached by MAGIC and the most stringent in the ~ 10-100 TeV WIMP DM mass interval in gamma-ray astrophysics searches so far, reaching upper limits of the order of 10⁻²⁴ cm³/s for the velocity-averaged cross-section.

In the last part of this thesis, I present my contribution to the development and set up of the Barcelona Raman LIDAR, an advanced and no commercial instrument optimized for the atmospheric monitoring above the future Cherenkov Telescope Array.