Phenomenology of dark matter particles at the centers of galaxies

par Thomas Lacroix

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Céline Boehm et de Joseph Silk.

Soutenue le 01-07-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Institut d'Astrophysique de Paris (laboratoire) .

Le jury était composé de Marc Kamionkowski, Piero Ullio, Pierre Salati, Marco Cirelli, Gabrijela Zaharijas.

  • Titre traduit

    Phénoménologie des particules de matière noire au centre des galaxies


  • Résumé

    Élucider le mystère de la matière noire est l’un des plus grands défis de la physique moderne, à l’interface entre l’astrophysique, la cosmologie et la physique des particules. Dans cette thèse, j’aborde différents aspects de la recherche indirecte des particules de matière noire, approche complémentaire à la détection directe et à la production dans des collisionneurs. Nous entrons dans une nouvelle ère grâce à des instruments remarquables et c’était donc le moment opportun pour s’attaquer au problème du profil de densité de matière noire au centre des galaxies par des méthodes originales. C'est la motivation principale de ma thèse. Dans ce travail, je tire parti des avancées technologiques afin d’explorer de nouvelles façons d’étudier la région centrale des halos de matière noire. Je me concentre en particulier sur les pics de matière noire, qui correspondent à des augmentations extrêmement fortes de la densité de matière noire pouvant être induites par les trous noirs supermassifs. Je montre qu’il est possible d’aller au-delà des recherches standards en étudiant les photons émis par des électrons et positrons produits dans les processus d’annihilation des particules de matière noire. Dans ce contexte, je décris une nouvelle technique pour modéliser la propagation des rayons cosmiques pour des profils d'injection très piqués. Je développe des modèles originaux de l’émission diffuse dans les régions centrales des galaxies, pour la Voie Lactée mais également pour d’autres galaxies, ce qui permet d’expliquer certaines observations récentes et de faire des prédictions pour des observations futures.


  • Résumé

    Unveiling the nature of dark matter is one of the greatest challenges of modern physics, at the interface between astrophysics, cosmology and particle physics. In this thesis, I tackle various aspects of indirect searches for dark matter particles, which provide a complementary approach to direct detection or collider experiments. We are now entering into an era of instruments with outstanding capabilities, so it was timely to tackle the problem of the dark matter density profile at the centers of galaxies with novel methods, which motivated this thesis. Taking advantage of these technological advances, I investigate new ways of probing the very central part of dark matter halos, especially focusing on dark matter spikes, i.e. very strong enhancements of the dark matter density that can form around supermassive black holes. I show that we can go beyond standard dark matter searches by studying photon emission from electrons and positrons produced in dark matter annihilation processes. In this context, I describe a new cosmic-ray propagation technique to account for injection by spiky distributions at the centers of galaxies. I develop novel models of the diffuse emission in the central regions of galaxies, focusing not only on the center of the Milky Way, but on the central regions of other galaxies as well. This allows me to explain recently reported observations and make predictions for future observations.


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