Etude du centre galactique et recherche de matière noire avec la H.E.S.S. Inner Galaxy Survey

Study of the Galactic Center and Search for Dark Matter with the H.E.S.S. Inner Galaxy Survey

• Auteur / Autrice : Alessandro Montanari
• Direction : Emmanuel Moulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules et cosmologie
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Tiina Suomijärvi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Dumarchez, Alessandro De Angelis, Nathalie Besson, Antoine Kouchner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Dumarchez, Alessandro De Angelis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centre galactique

Matière noire (astronomie)

Astronomie gamma

Physique des hautes énergies

Mots clés libres

Astrophysique des hautes énergies

Astronomie gamma

Matière noire

Emissions diffuses

Astropaticule

Centre galactique

High-energy astrophysics

Gamma-ray astronomy

Dark matter

Diffuse emissions

Astroparticle physics

Galactic center

Résumé

L'astrophysique des très hautes énergies (THE, E ≥ 100 GeV) a été pionnière dans l'étude des processus non thermiques qui accélèrent des rayons cosmiques (RC) au sein d’objets galactiques et extragalactiques. L'une des régions les plus prometteuses est le Centre Galactique (CG), peuplée par de nombreuses émissions THE, comme l'émission étendue de bulles de Fermi (BF) détectée par Fermi-LAT aux énergies du GeV. Les rayons gamma THE sont des messagers remarquables pour rechercher la mystérieuse matière noire (MN). Parmi les candidats particules MN figurent les particules massives à faible interaction (WIMP), qui peuvent s'auto-annihiler et produire des rayons gamma aux TeV dans des régions denses de l'Univers, comme le CG. D'autres cibles sont les sous-halos MN, prédits dans les galaxies de type Voie lactée par des simulations cosmologiques de formation de structures. Le système stéréoscopique à haute énergie (H.E.S.S.), un réseau de 5 télescopes atmosphériques imageurs Cherenkov (IACT), détecte photons aux TeV. H.E.S.S. observe la région du CG dans des conditions uniques grâce à sa localisation dans l'hémisphère sud. La première partie de la thèse introduit des notions sur l'astrophysique THE, le réseau H.E.S.S., les candidates MN et les méthodes d’analyse statistiques utilisées. Pour ce dernier, nous décrivons les tests statistiques de log-vraisemblance (LLRTS) et les premiers résultats d'une nouvelle méthode des réseaux neuronaux bayésiens sur la discrimination spectrale et spatiale d'un signal faible en présence d'un fond dominant non trivial. La deuxième partie porte sur la région CG au THE. La Inner Galaxy Survey (IGS), un ensemble d'observation H.E.S.S. du CG, est décrit en détail. L'étude des incertitudes systématiques qui affecte les données IGS et l'effort en cours pour construire des modèles de brui de fond sont largement présentés. Avec les données IGS, nous recherchons l'émission à la base des BF et, pour la première fois, elle est détectée jusqu'à ~2 TeV avec signification intégrée de 9.2 σ. Nous montrons les flux observés différentiels d'énergie et des limites supérieures. À 1 TeV, le flux mesuré des BF est de ~1.2x10⁻⁹ TeVcm⁻²s⁻¹sr⁻¹. D'un ajustement conjoint des données Fermi et H.E.S.S., nous pouvons déterminer la coupure d'énergie sur le spectre des photons. Des analyses supplémentaires pour inclure les incertitudes systématiques sont en cours. La troisième partie rapporte de nouveaux résultats sur la recherche MN. En utilisant l'ensemble de données IGS, nous dérivons 95% C.L. limites supérieures observées et attendues sur la section efficace d'annihilation des WIMPs (<σv>), avec le LLRTS et pour nombreux canaux d'annihilation. Pour le canal τ⁺ τ⁻, nos limites atteignent 1.2x10⁻²⁶ cm³s⁻¹ pour une masse de MN de 0.7 TeV, défiant les valeurs attendues pour le MN thermique. À 1.5 TeV MN, nous améliorons de 1.6 les résultats précédents H.E.S.S.. Pour les canaux testés, ce sont les limites les plus contraignantes aux TeV. Nous étudions également les incertitudes systématiques et sur le choix du profil MN. Une autre recherche est effectuée vers les candidats sous-halo MN, les objets de Fermi non identifiés (OFNI), sélectionnés dans le catalogue Fermi 3FHL sans contrepartie astrophysique conventionnelle. Les limites supérieures sur le produit entre <σv> et le J-factor sont calculées. L'émission d'ovnis en terme de MN est exclue jusqu'à ~300 GeV. La portée en termes de sensibilité du signal MN avec la génération actuelle d'IACT dans la région CG est étudiée avec un jeu de données IGS fictif, les rendements de rayons gamma de pointe pour le flux de photons MN attendu et pour la distribution MN dans le CG, y compris la rétroaction baryonique et les calculs cinématiques stellaires. La sensibilité dérivée ne peut pas sonder le Higgsino MN thermique mais exclut le Wino et le Quintuplet MN thermique aux TeV. La sensibilité de notre analyse est robuste face à plusieurs sources d'incertitudes que nous avons explorées.

Very high energy (VHE, E ≥ 100 GeV) astrophysics pioneered the study of non-thermal processes describing cosmic rays (CRs) accelerated by galactic and extragalctic objects. CRs can be investigated by observing the Galactic Center (GC), which hosts many VHE sources and emissions, like for instance the Fermi Bubbles (FBs) found by Fermi-LAT in the GeVs. VHE photons can be used to study the still mysterious Dark Matter (DM). Among the best DM particle candidates are the weakly interacting massive particles (WIMPs), which if massive enough can self-annihilate and emit TeV gamma-rays from dense regions of the Universe. The most promising target to search for DM is the GC. Other ones are DM subhalos, predicted in Milky-Way-like galaxies by cosmological simulations. The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), an array of 5 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT), observes VHE photons between around 50 GeV and tens of TeV. It can observe the GC region thanks to its ideal position in the southern hemisphere. The future array of IACTs, the Cherenkov Telescope Array, will push the boundary of the sensitivity in the TeV energies. The first part of the thesis introduces fundamental concepts on VHE astrophysics, on H.E.S.S., the supposed nature of DM and the statistical methods used in this work. We describe the log-likelihood-test-statistics (LLRTS) and results from a novel Bayesian neural network framework on the spectral and spatial discrimination of a weak signal in the presence of a non-trivial dominating background. The second part of the thesis focuses on the GC region at VHE. The Inner Galaxy Survey (IGS), a 6-years H.E.S.S. observational dataset of the GC is described in detail. The study of the systematics affecting it and the ongoing effort to build background models from extra-galactic observations and run-wise simulations of the IGS are extensively presented. With the IGS, we search for the low-latitude FBs emission in the region of interest defined by the Fermi analysis. For the first time, the FBs are detected up to ~2 TeV and an integrated significance of 9.2σ. We show observed flux points and upper limits. At 1 TeV, the FBs are measured at ~1.2x10⁻⁹ TeVcm⁻²s⁻¹sr⁻¹. From a joint fit of the Fermi and H.E.S.S. analyses, we could obtain the energy cutoff on the photon spectrum, however more effort to include all the systematics is ongoing. The third part reports new results on DM search. Using the IGS dataset, we derive 95% C.L. observed and expected upper limits on the WIMPs annihilation cross-section (<σv>), with the LLRTS and for several annihilation channels. For the τ⁺ τ⁻ annihilation channel, our limits reach 1.2x10⁻²⁶ cm³s⁻¹ for a DM mass of 0.7 TeV, challenging the expected values for thermal DM. At 1.5 TeV DM mass, we improve the limits of 1.6 with respect to previous H.E.S.S. results. For the tested channels, these are the most constraining limits for TeV DM masses. We also investigate limits uncertainties due to the choice of the DM profile and the systematics. Another search for DM signal is performed towards DM subhalo candidates, the selected unidentified-Fermi-objects (UFOs) in the 3FHL Fermi catalog with no conventional astrophysical counterpart. We derive upper limits on the product between <σv> and the J-factor. The DM UFOs emission is excluded down to ~300 GeV. The reach in term of DM signal sensitivity with the current generation of IACTs in the GC region is investigated using a mock IGS dataset, the state of the art gamma-ray yields for the expected DM photon flux and for the DM distribution in the GC, including baryon feedback and stellar kinematic computations. New limits are derived for model-independent DM searches. The derived sensitivity cannot probe thermal Higgsino DM but excludes thermal Wino and Quintuplet DM. We widely explore how the evaluation of different uncertainties can affect the final results. The sensitivity of our analysis is robust against several sources of uncertainties.