Unveiling dark matter with cosmic messengers

Korsmeier, Michael; Donato, Fiorenza; Krämer, Michael

doi:10.18154/RWTH-2020-08680

Unveiling dark matter with cosmic messengers

Korsmeier, Michael^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevon Michael Korsmeier

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (xx, 206 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020. - Dissertation, University of Turin, 2020

Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Donato, Fiorenza (Thesis advisor) ; Krämer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-04-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08680
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/795949/files/795949.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antiprotonen und Antikerne in kosmischer Strahlung (frei) ; Astroteilchenphysik (frei) ; Dunkle Materie (frei) ; Proportion galaktischer kosmischer Strahlung (frei) ; Quellen extragalaktischer Gammastrahlung (frei) ; astroparticle messengers (frei) ; cosmic-ray antiprotons and antinuclei (frei) ; extragalactic gamma-ray sources (frei) ; galactic cosmic-ray propagation (frei) ; particle dark matter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520

Kurzfassung
Die genauen Messungen von kosmischer Strahlung und Gammastrahlung durch die Weltraumexperimente AMS-02 und Fermi-LAT haben die Astroteilchenphysik in den letzten zehn Jahren zu einer Präzisionsdisziplin gemacht. Wir nutzen die kürzlich veröffentlichen Daten, um mehr über unsere galaktische und extragalaktische Umgebung zu erfahren. Unsere Hauptmotivation in dieser Arbeit ist die Suche nach Dunkler Materie. Dabei sind hochenergetische Antiprotonen besonders interessante Botenteilchen. Wenn wir die Informationen von Antiprotonen mit denen von Protonen und Helium kombinieren, können wir mehr über die Propagation kosmischer Strahlung von leichten Kernen lernen. Wir führen globale Parameter-Fits zur Charakterisierung der wichtigsten Parameter im Propagationsmodell, welches Diffusion und Wieder-Beschleunigung erlaubt, durch. Unsere Resultate für die leichten Kerne sind mit den Ergebnissen für schwerere Kerne, wie z.B. aus den Untersuchungen des Verhältnisses von Bor zu Kohlenstoff, kompatibel. Die Analyse von Antiprotonen in der kosmischen Strahlung setzt die genaue Kenntnis des Wirkungsquerschnitts zur Produktion von sekundären Antiprotonen voraus. Wir vergleichen und verbessern die aktuellen Parametrisierungen des Wirkungsquerschnitts mit Hilfe von neuen experimentellen Daten der Experimente NA61 und LHCb. Dabei bestimmen wir außerdem die Unsicherheit, die sich aus dem Wirkungsquerschnitt auf den Quellterm von kosmischen Antiprotonen ergibt. Diese Unsicherheit übersteigt die der Antiprotonenflussmessung durch das AMS-02 Experiment. Daher erarbeiten wir Richtlinien für zukünftige Experimente zur Messung des Wirkungsquerschnitts für Antiprotonenproduktion. Wir bestimmen den kinematischen Parameterbereich größter Priorität.Außerdem könnte die Annihilation von möglichen Teilchen Dunkler Materie zu einem zusätzlichen Fluss von Antiprotonen führen. Somit können wir kosmische Antiprotonen dazu nutzen, um indirekt nach Dunkler Materie zu suchen. In unseren Fits an die Daten aus Protonen, Helium und Antiprotonen finden wir einen Hinweis auf die Annihilation von Dunkler Materie. Das mögliche Dunkle-Materie-Teilchen benötigt eine Masse zwischen 30 und 200 GeV und einen Wirkungsquerschnitt für die Annihilation in der Größenordnung von $\langle \sigma v \rangle \sim 3 \times 10^{-26}\; \mathrm{cm^3/s}$. Wir untersuchen, wie der Hinweis auf dieses mögliche Teilchen von systematischen Unsicherheiten beeinflusst ist. Im Detail schauen wir uns die Unsicherheiten aus dem Wirkungsquerschnitt für die Produktion sekundärer Antiprotonen an und die Auswirkungen von Korrelationen in den AMS-02 Daten. Nach Berücksichtigung aller Unsicherheiten hat unser Antiprotonsignal für Dunkle Materie eine Signifikanz von 2.7$\sigma$. Oberhalb einer Masse von 200 GeV ergeben sich starke obere Schranken für die Größe des möglichen Annihilationwirkungsquerschnitts. Diese sind vergleichbar mit den Schranken aus Gammastrahlung und tragen somit zu einem zuverlässigen Verständnis bei. Die Suche nach einem niederenergetischen Antiatomkern in kosmischer Strahlung stellt eine komplementäre Strategie dar, um mögliche Signale von Dunkler Materie zu entschlüsseln. Wir untersuchen ob der Hinweis auf Dunkle Materie in den Antiprotonen ein messbares Signal für Antideuterium und Antihelium hinterlassen würde. Ein solches Signal ist der größtmögliche Fluss an Antikernen, der die Beschränkungen aus Antiprotonen nicht verletzt. Nach unseren Berechnungen ist der Fluss von Antideuterium für AMS-02 und das geplante Experiment GAPS in Reichweite, wohingegen wir kein Signal für Antihelium in AMS-02 erwarten. Wir erneuern außerdem die Vorhersagen für den sekundären und tertiären Fluss von beiden Antikernen, diese liegen außerhalb des Messbereichs aktueller Experimente. Auch Gammastrahlung wird dazu verwendet, um nach Dunkler Materie zu suchen. Dabei konzentriert sich die Suche auf Bereiche, in denen entweder ein großes Signal oder ein kleiner astrophysikalischer Hintergrund erwartet wird. Interessante Bereiche sind das galaktische Zentrum, Zwerggalaxien und die extragalaktische Gammahintergrundstrahlung. Jedoch ist auch hier jeweils eine genaue Betrachtung des astrophysikalischen Hintergrunds vorausgesetzt. Wir nutzen zwei spezielle statistische Methoden, um mehr Informationen über kleine Punktquellen herauszufiltern, die sich weit außerhalb der galaktischen Scheibe befinden. Dazu schauen wir uns zum einen die Statistische Verteilung von Photonen an einem Punkt an und zum anderen interpretieren wir die Winkelkorrelationen in der isotropen Gammahintergrundstrahlung. Unsere Erkenntnisse interpretieren wir in einem Blazarmodell für die Helligkeitskurve von Gammastrahlung. Das Ergebnis zeigt, dass die Gammastrahlung von schwachen Punktquellen konsistent mit einer reinen Population von Blazaren ist.

In the last decade, space-based experiments like AMS-02 and the Fermi-LAT have turned astroparticle physics of Galactic cosmic rays and gamma rays into a precision discipline. We can use the newly available data to learn more about our Galactic and extragalactic environment. A major motivation to investigate astroparticle messengers is the indirect search for dark matter signatures. Cosmic-ray antiprotons constitute one very interesting messenger in astroparticle physics. The combination of the antiproton flux data with its parent nuclei, proton and helium, allows to understand cosmic-ray propagation of light nuclei. We perform global fits to the data from AMS-02 and derive constraints on the key parameters of a cosmic-ray propagation model including diffusion and reacceleration. The results are compatible with expectations from other analyses performed on boron-to-carbon ratio. The analysis of cosmic-ray antiprotons requires precise knowledge of the secondary antiproton production cross sections. We update and compare the most recent cross-section parametrizations by exploiting newly available data from the fixed-target experiments NA61 and LHCb. Furthermore, we derive the uncertainties on these cross-section parametrizations and the secondary antiproton source term. These exceed the uncertainties of the antiproton flux measurement by AMS-02. Consequently, we provide guidelines for future cross-section measurements concerning the most relevant kinematic parameter space. Cosmic-ray antiprotons are a sensitive probe for dark matter annihilation or decay in our Galaxy. Performing a global fit to the cosmic-ray data of protons, helium, and the antiproton-over-proton ratio, we find a hint for the annihilation of dark matter in the energy spectrum of cosmic-ray antiprotons. The putative dark matter particles have a mass between 30 and 200 GeV and a cross section times velocity at the order of $3\times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3/s}$. We investigate how this hint is affected by systematics arising from uncertainties in the production cross sections of secondary antiprotons and correlations in the systematic uncertainties of the cosmic-ray data itself. After accounting for systematic uncertainties, we find a significance of 2.7$\sigma$ for the dark matter hint. On the other hand, cosmic-ray antiprotons provide strong upper bounds on the annihilation cross section of heavy dark matter particles with masses above 200 GeV. These bounds are competing and complementary to constraints from gamma rays. A complemental strategy to search for dark matter in cosmic rays is to look for low-energy antinuclei. We explore the prospects to detect a signal in the fluxes of antideuteron or antihelium corresponding to the dark matter hint in cosmic-ray antiprotons. These fluxes constitute the largest possible dark matter signals in antinuclei which are compatible with cosmic-ray antiprotons. We find that the potential dark matter signal in antideuteron lies within the expected sensitivities of GAPS and AMS-02, while the antihelium signal is significantly below the sensitivity of AMS-02 at all energies. Moreover, we update the predictions of the secondary and tertiary fluxes of antideuteron and antihelium. They are out of reach for both detectors.Finally, also gamma rays provide an excellent prospect to indirectly search for dark matter. The best prospects to find a signal is to search in regions with either a large dark matter density or a low astrophysical background. Promising sites are the Galactic center, dwarf spheroidal galaxies, or the extragalactic gamma-ray sky. However, a robust understanding of potential dark matter signals requires a good characterization of the background from astrophysical sources. We exploit two unique tools to investigate the properties of gamma-ray sources with small fluxes and at high latitudes: the one-point statistics of photon counts applied to Fermi-LAT data and the recent measurement of the angular correlations in the unresolved gamma-ray background. Within a model of the gamma-ray luminosity function of blazars we compare the properties of the extragalactic gamma-ray sky with resolved blazars at large fluxes. We find that the emission of gamma-rays at high latitudes and small fluxes is consistent with a pure blazar population.

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