Etude du Centre Galactique et recherche de matière noire avec H.E.S.S. 2

par Lucia Rinchiuso

Projet de thèse en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Emmanuel Moulin.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec DSM-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    De nombreuses sondes cosmologiques et astrophysiques suggèrent que 85% de la matière dans l'Univers est d'origine inconnue. Cette matière noire, de nature non baryonique, serait constituée de particules non encore découvertes dont les candidats privilégiés seraient des particules massives interagissant faiblement (WIMPs) avec la matière ordinaire de telle sorte que leur densité relique soit compatible avec la densité de matière noire froide mesurée dans l'Univers. Des particules de matière noire peuvent s'annihiler en particules du Modèle Standard de la physique des particules dans les régions denses de l'Univers. Parmi les produits d'annihilations se trouvent les photons. La détection de photons de hautes énergies par des télescopes au sol à effet Tcherenkov pourrait permettre d'éclaircir le mystère de la matière noire. De nombreux objets astrophysiques où la densité de matière noire se trouve augmentée, sont des cibles privilégiées. Parmi elles se trouvent la région du Centre Galactique, les galaxies naines du Groupe Local, les amas de galaxies et les surdensités de matière noire peuplant le halo Galactique. L'expérience H.E.S.S. composée de quatre télescopes Tcherenkov de 12 m de diamètre observe ces objets en rayons gamma au-delà d'une centaine de GeV jusqu'à plusieurs dizaines de TeV. Les observations du Centre Galactique avec H.E.S.S. 1 ont permis de produire les contraintes les plus fortes sur la section efficace d'annihilation de particules de matière noire dans la plage en masse du TeV. La sensibilité du réseau de télescopes H.E.S.S. a permis l'observation en rayons gamma la plus détaillée à ce jour des quelques 100 parsecs centraux de la Voie Lactée dans le régime des très hautes énergies. Ces observations sont un outil précieux pour comprendre les processus d'accélération et de propagation de rayons cosmiques à l'oeuvre dans l'environnement proche du Centre Galactique. Une source centrale, HESS J1745-290, coïncidente en position avec le trou noir supermassif Sgr A*, a été détectée avec H.E.S.S. ainsi qu'une émission diffuse indiquant la présence d'un accélérateur de rayons cosmiques hadroniques dans la région du Centre Galactique. La nature de l'émission centrale est encore incertaine, différents mécanismes sont proposés pour contribuer à l'émission détectée parmi lesquels l'accélération de protons dans l'environnement proche du trou noir, l'accélération d'électrons au TeV par la nébuleuse à vent de pulsars G359.95-0.04, ou encore l'annihilation de particules de matière noire. La phase 2 de H.E.S.S. avec l'ajout d'un télescope d'un diamètre de 28 m au centre du réseau existant complète le dispositif pour abaisser le seuil en énergie à quelques dizaines de GeV. Les observations de la région du Centre Galactique avec H.E.S.S. 2 fournissent des informations cruciales sur les phénomènes astrophysiques à l'œuvre dans cette région jusqu'à des énergies de quelques dizaines de GeV et un gain significatif en sensibilité dans la plage en énergie du TeV. Les données acquises par le réseau H.E.S.S. fournissent la vision la plus détaillée à ce jour de la région du Centre Galactique en astronomie gamma de haute énergie. Les observations de cette région avec H.E.S.S. 2 permettront de caractériser en profondeur l'accélérateur de rayons cosmiques au centre de notre galaxie et de rechercher avec une sensibilité inégalée des signaux de matière noire dans cette region privilégiée.

  • Titre traduit

    Galactic Center study and dark matter searches with H.E.S.S. 2


  • Résumé

    Numerous cosmological and astrophysical probes suggest that 85% of the matter budget in the Universe is of unknown origin. This new component of matter dubbed as dark matter, is non baryonic and would consist of yet undiscovered particles which privileged candidates would be massive particles with weak couplings with ordinary matter (WIMPs) so that their relic abundance is compatible with the density of cold dark matter measured in the Universe. Dark matter particles may annihilate into Standard Model particles in dense regions of the Universe. Among the annihilation products are high energy photons. The detection of these photons with ground-based Cherenkov telescopes may reveal the nature of the dark matter. Numerous astrophysical environments where the dark matter density is increased are privileged targets for observation. Among them are the Galactic Center region, the dwarf galaxies of the Local Group, the galaxy clusters and the dark matter substructures populating the Galactic halo. The H.E.S.S. experiment is composed of four identical Cherenkov telescopes detecting gamma-rays from about 100 GeV up to several tens of TeV. It regularly dedicates observation time towards these objects. The Galactic Center observations with H.E.S.S. 1 allowed to provide the strongest constraints on the annihilation cross section of the dark matter particles in the TeV mass range. The sensitivity of the H.E.S.S. array allowed to provide the most detailed view in very high energy gamma-rays to date of the inner 100 parsecs of the Milky Way. these observations are invaluable to understand the acceleration and propagation mechanisms of cosmic rays taking place in the Galactic Center environment. A central source spatially coincident with the supermassive black hole Sgr A* has been detected with H.E.S.S. together with a diffuse emission revealing the presence of hadronic cosmic ray accelerator in the region to the Galactic Center. The nature of the central source is still uncertain, several emission mechanisms are proposed to contribute to the observed emission among which are the acceleration of protons in the vicinity of the black hole, the acceleration of electrons in the pulsar wind nebula G359.95-0.04, or the self annihilation of dark matter particles. The phase 2 of H.E.S.S. with addition of a 28 m diameter telescope at the centre of the existing array completes the instrument to lower the energy threshold down to a few tens of GeV. The Galactic Center observations with H.E.S.S. 2 provide crucial information on the astrophysical phenomena taking place in this region down to a few tens of GeV and improved sensitivity in the TeV energy range. Data acquired by H.E.S.S. provide the most detailed view of the Galactic Center region to date in very high energy gamma-rays. Observations with H.E.S.S. 2 will bring new insight on the cosmic-ray accelerator located at the centre of the Galaxy and will allow to search for dark matter signals with unequalled sensitivity in this privileged region.