Dunkle Materie bindet etwa 24 % der gesamten Energie im Universum. Bis heute ist jedoch dessen Ursprung nicht bekannt. Untersuchungen von Galaxien und kosmologischen Messungen deuten auf Dunkle Materie hin. Ein Kandidat für Dunkle Materie ist das sogenannte Weakly Interactive Massive Particle (WIMP), welches nur der Schwerkraft und der schwachen Wechselwirkung unterliegt. Eines dieser supersymmetrischen Teilchen ist das Neutralino. Das Ziel dieser Arbeit ist es, nach Dunkler Materie in dieser Form zu suchen. Aufgrund seiner Nähe sowie der hohen Dichte an Dunkler Materie bietet das Zentrum unserer Galaxie besondere Möglichkeiten zur Suche nach diesen Teilchen. Es wird vermutet, dass Neutralinos miteinander wechselwirken, dabei in Teilchen des Standard Modells zerfallen und so Photonen mit hohen Energien entstehen. Die Suche nach hochenergetischen Gammastrahlen in der Nähe des Galaktischen Zentrums kann folglich das Rätsel der Dunklen Materie lösen. Das Gammastrahlenobservatorium VERITAS hat das Galaktische Zentrum für etwa 108 Stunden beobachtet. Diese Daten wurden mittels einer unbinned Likelihood-Analyse auf die Existenz von Dunkler Materie untersucht. Da VERITAS das Galaktische Zentrum bei geringer Elevation beobachtet, können nur Gammastrahlen in einem Energiebereich zwischen 4 und 70 TeV detektiert werden. Die Analysemethode modelliert sowohl die räumliche Verteilung der Dunklen Materie als auch das Gammastrahlenspektrum. Der Beitrag der Gammastrahlen, welcher nicht von Dunkler Materie erzeugt wird, ist mittels einer punktförmigen Quelle modelliert. Zum Schluss wird der Untergrund mit realen Daten außerhalb des Galaktischen Zentrums abgeschätzt. Im Energiebereich zwischen 4 und 100 TeV wurden keine Signale der Dunklen Materie gefunden. Obere Grenzwerte für den Wechselwirkungsquerschnitt der WIMPs ergeben ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm^3 oberhalb von 70 TeV in einem 95-prozentigen Erwartungsintervall. / Dark matter accounts for 24% of the universe’s energy, but the form in which it is stored is currently unknown. Understanding what form this matter takes is one of the major unsolved mysteries of modern physics. Much evidence exists for dark matter in the measurements of galaxies, dwarf galaxies, galaxy clusters, and cosmological measurements. One theory posits dark matter is a new undiscovered particle that only interacts via gravity and the weak force, called a weakly interacting massive particle (WIMP). One WIMP candidate is a supersymmetric particle called a neutralino. The objective of this thesis is to search for these dark matter particles, and attempt to measure their mass and cross section. Dark matter particles appear to concentrate in most galaxy-scale gravitational wells. One region of space that is both nearby and assumed to have a high density of dark matter is the center of our own galaxy. The neutralino is expected to annihilate into Standard Model particles, which may decay into photons. Therefore, a search for gamma rays near the Galactic Center may uncover the presence of dark matter. 108 hours of VERITAS gamma-ray observations of the Galactic Center are used in an unbinned likelihood analysis to search for dark matter. The Galactic Center’s low elevation results in VERITAS observing gamma rays in the 4–70 TeV energy range. The analysis used in this thesis consists of modeling the halo of dark matter at the Galactic Center, as well as the spectrum of gamma rays produced when two WIMPs annihilate. A point source is added to model the non-dark-matter gamma-ray emission detected from the Galactic Center. Background models are constructed from data of separate off-Galactic-Center observations. No dark matter signal is found in the 4–100 TeV mass range. Upper limits on the WIMP’s velocity-averaged cross section have been calculated, which above 70 TeV result in new limits of ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm3 at the 95% confidence level.

Axionartige Teilchen sind pseudoscalare Teilchen welche in Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Falls ein axionartiges Teilchen innerhalb eines kosmischen magnetischen Felds gebildet wird, wird dieses nicht durch das Hintergrundlicht absorbiert. Daher kann es kosmische Distanzen überbrücken bevor es wieder in ein Photon zurück oszilliert. Dieser Effekt erhöht die Reichweite der Gammastrahlung im Universum. Im Rahmen dieser Dissertation werden Daten des Fermi Large Area Telescopes, aufgenommen über eine Zeitraum von sechs Jahren, systematisch analysiert. Hierbei wird nach axionartigen Teilchen mit Hilfe von Transparenzeffekten des Universums gesucht. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Modelle des extragalaktischen Hintergrundlichts mit und ohne Berücksichtigung axionartiger Teilchen verglichen. Hierfür werden Likelihood-Funktionen für das höchst energetische Photon verschiedener entfernter Quelle kombiniert. Diese sind aktive galaktische Kerne mit einer Rotverschiebung z ≥0.1 des Second Catalog of Hard Fermi-LAT Sources. Unter den Annahmen einer intergalaktischen magnetischen Feldstärke von B = 1 nG und einer Kohärenzlänge von s = 1 Mpc wurde keine Veränderungen der Transparenz durch axionähnliche Teilchen nachgewiesen. Für eine Masse eines axionartigen Teilchens mit m≅ 3.0 neV wird eine Photonen-Axion Kopplungskonstante über 10(^11) GeV(^−1) ausgeschlossen. / Axion-like particles, pseudo-scalar particles that arise in theories beyond the Standard Model, mix with photons in the presence of magnetic fields. If an axion-like particle is produced within a cosmic magnetic field, it evades extragalactic background light absorption and thus it can survive cosmological distances until oscillating back into a photon. This leads to an increased transparency of the Universe to gamma rays. In the scope of this thesis, we search for transparency effects compatible with the existence of axion-like particles with six years of data from the Fermi Large Area Telescope. We derive and combine the likelihoods of the highest-energy photon events from a sample of hard distant sources, in order to compare models that include axion-like particles and models with only extragalactic background light. The sources are active galactic nuclei from the Second Catalog of Hard Fermi sources at redshift z≥0.1. For values of the intergalactic magnetic field strength B = 1 nG and coherence length s = 1 Mpc, we find no evidence for a modified transparency induced by axion-like particles and therefore we set upper limits. We exclude photon-axion coupling constants above 10(^11) GeV(^−1) for axion masses m≅ 3.0 neV.

In dieser Arbeit wird mit Hilfe von Daten, die mit dem High Energy Stereocopic System (H.E.S.S.) in Namibia aufgenommen wurden, indirekt nach dunkler Materie im Halo der Milchstraße gesucht / An indirect search for the presence of dark matter particles in the halo of the Milky Way with data that were recorded with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is discussed in this work

Trotz der zahlreichen astrophysikalisch und kosmologisch überzeugenden Beweise für Dunkle Materie bleibt ihre wahre Natur unbekannt. Eine Motivation für die Suche nach Dunkler Materie am Large Hadron Collider (LHC) und insbesondere mit dem ATLAS-Experiment ist die besonders vielversprechende Möglichkeit, dass Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher Materie und Dunkler Materie durch neue Spin-0-Teilchen vermittelt werden. Solche Teilchen würden das Standardmodell um einen potentiellen Dunklen Sektor erweitern, zu dem die Teilchen der Dunklen Materie gehören. ähnlich wie das Higgs-Boson interagieren diese neuen Mediatoren am stärksten mit den schwersten Teilchen über Kopplungen vom Yukawa-Typ, wodurch sie empfänglicher für die damit verbundene Produktion durch Quarks mit schwerem Flavour werden. Diese Dissertation präsentiert die Ergebnisse der statistischen Kombination von zwei Suchen, die auf die mit Dunkler Materie verbundene Produktion von einem Top-Quark-Paar oder einem einzelnen Top-Quark, jeweils zwei geladenen Leptonen im Endzustand, abzielen. Diese beiden Kanäle weisen komplementäre Eigenschaften auf, und eine Kombination kann die Empfindlichkeit gegenüber Dunkle-Materie-Signalen erheblich verbessern. Diese Kombination wird unter Verwendung von 139 fb-1 pp-Kollisionsdaten durchgeführt, die bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV erzeugt und vom ATLAS-Detektor am LHC aufgezeichnet wurden. Die Ergebnisse der Kombination werden in Bezug auf vereinfachte Modelle für Dunklen Materie mit einem skalaren oder pseudoskalaren Spin-0-Mediator interpretiert. Die statistische Kombination weitet die bei einem Konfidenzniveau von 95% ausgeschlossenen Massen auf bis zu 350 GeV sowohl für skalare als auch für pseudoskalare Mediatoren aus. Die beobachteten Ausschlu{\ss}grenzen des Wirkungsquerschnitts werden für den ska\-laren (pseudoskalaren) Mediator um 20%(30%) gegenüber dem Besten des einzelnen Kanals verbessert. / Despite the multiple astrophysical and cosmological compelling evidences for Dark Matter, its true nature remains unknown. A motivation to dark matter searches at the Large Hadron Collider (LHC), and in particular in the ATLAS experiment, is the especially promising possibility that interactions between ordinary matter and dark matter are mediated by new spin-0 particles. Such particles would extend the Standard Model with a potential dark sector, to which dark matter particles belong. Similarly to the Higgs boson, these new mediators interact strongest with the heaviest particles via Yukawa-type couplings, making them more prone to associated production with heavy-flavour quarks. This thesis presents the results of the statistical combination of two searches targeting dark matter associated production with a top quark pair and a single top quark, targeting two charged leptons in the final state. These two channels present in fact complementary properties and a combination could enhance significantly the sensitivity to dark matter signals. This combination is carried out using 139 fb-1 of pp collision data produced at centre-of-mass of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. The results of the combination are interpreted in terms of simplified dark matter models with a spin-0 scalar or pseudoscalar mediator particle. The statistical combination extends the exclusion at 95 % Confidence Level (CL) of masses up to 350 GeV for both scalar and pseudoscalar mediators. The observed upper limits on the cross-section are improved up by 20 %(30 %) for scalar(pseudoscalar) mediator with respect to the best of the individual channel.

Diverse astrophysikalische Beobachtungen weisen auf bislang unerklärte Materie hin, die hauptsächlich gravitativ interagiert. Wenn diese Materie, bezeichnet als Dunkle Materie, ein Elementarteilchen ist, könnte sie in Teilchenkollisionen am Large Hadron Collider produziert werden. Aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit normaler Materie könnte sie jedoch nicht direkt mit den Vielzweckdetektoren am Large Hadron Collider beobachtet werden. Ihre Produktion würde sich stattdessen in Ereignissen zeigen, in denen ein Rückstoß von Detektor-sichtbaren Objekten gegen die Detektor-unsichtbare Dunkle Materie besteht, was fehlende transversale Energie verursacht. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Endzuständen, in denen diese sichtbaren Objekte sogenannte Jets sind. In dieser Dissertation wird eine Messung des Endzustands aus großer fehlender transversaler Energie und mindestens einem Jet in 139/fb an Proton–Proton-Kollisionen bei 13 TeV, aufgezeichnet mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider, durchgeführt. Zwischen den gemessenen Daten und der Standard-Modell-Vorhersage wird in einer statistischen Optimierung gute Übereinstimmung gefunden. Die Messung wird von Detektor-Effekten bereinigt, um spätere Reinterpretation zu vereinfachen. Messungen, die auf diese Art aufbereitet wurden, können beispielsweise von der Contur-Software benutzt werden, um Parametergrenzen für neue Theorien festzustellen. Sowohl die Ergebnisse der Messung, als auch die Contur-Software, welche auf existierende Messungen am Large Hadron Collider zurückgreift, werden verwendet, um Ausschlussgrenzen für ein Modell, das Dunkle Materie erklären kann, festzustellen. Betrachtet wird das Modell von zwei Higgs-Dubletts und einem pseudoskalaren Botenteilchen zu Dunkler Materie. / Various astrophysical observations point towards an as-of-yet unexplained, mainly gravitationally interacting type of matter. If this matter, called Dark Matter, is an elementary particle, it could be produced in particle collisions at the Large Hadron Collider. Given its weak interaction with ordinary matter, however, it would not be directly observable with the general-purpose detectors at the Large Hadron Collider. Its production would therefore manifest as events in which detector-visible objects recoil against the detector-invisible Dark Matter, giving rise to missing transverse energy. This thesis focuses on final states in which these visible objects are jets. A measurement of the final state of large missing transverse energy and at least one jet in 139/fb of proton–proton collisions at 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is performed in this thesis. Good agreement between measured data and Standard-Model prediction is found in a statistical fit. The measurement is corrected for detector effects to facilitate later reinterpretation. Measurements prepared in such a way can, for example, be exploited by the Contur toolkit to set constraints on new theories. Both, the results of the measurement and the Contur toolkit making use of existing measurements at the Large Hadron Collider, are employed to set exclusion limits on a model able to explain Dark Matter, the two-Higgs-doublet model with a pseudoscalar mediator to Dark Matter.

Les galaxies sont des sondes observationnelles pour l'étude des structures de l'Univers. Leur mouvement gravitationnel permet de tracer la densité totale de matière. Par ailleurs, l'étude de la formation des structures et galaxies s'appuie sur les simulations numériques cosmologiques. Cependant, un seul univers observable à partir d'une position donnée, en temps et espace, est disponible pour comparaison avec les simulations. La variance cosmique associée affecte notre capacité à interpréter les résultats. Les simulations contraintes par les données observationnelles constituent une solution optimale au problème. Réaliser de telles simulations requiert les projets Cosmicflows et CLUES. Cosmicflows construits des catalogues de mesures de distances précises afin d'obtenir les déviations de l'expansion. Ces mesures sont principalement obtenues avec la corrélation entre la luminosité des galaxies et la vitesse de rotation de leur gaz. La calibration de cette relation est présentée dans le mi-infrarouge avec les observations du télescope spatial Spitzer. Les estimations de distances résultantes seront intégrées au troisième catalogue de données du projet. En attendant, deux catalogues de mesures atteignant 30 et 150 h−1 Mpc ont été publiés. Les améliorations et applications de la méthode du projet CLUES sur les deux catalogues sont présentées. La technique est basée sur l'algorithme de réalisation contrainte. L'approximation de Zel'dovich permet de calculer le champ de déplacement cosmique. Son inversion repositionne les contraintes tridimensionnelles reconstruites à l'emplacement de leur précurseur dans le champ initial. La taille inégalée, 8000 galaxies jusqu'`a une distance de 150 h−1 Mpc, du second catalogue a mis en évidence l'importance de minimiser les biais observationnels. En réalisant des tests sur des catalogues de similis, issus des simulations cosmologiques, une méthode de minimisation des biais peut être dérivée. Finalement, pour la première fois, des simulations cosmologiques sont contraintes uniquement par des vitesses particulières de galaxies. Le procédé est une réussite car les simulations obtenues ressemblent à l'Univers Local. Les principaux attracteurs et vides sont simulés à des positions approchant de quelques mégaparsecs les positions observationnelles, atteignant ainsi la limite fixée par la théorie linéaire / Galaxies are observational probes to study the Large Scale Structure. Their gravitational motions are tracers of the total matter density and therefore of the Large Scale Structure. Besides, studies of structure formation and galaxy evolution rely on numerical cosmological simulations. Still, only one universe observable from a given position, in time and space, is available for comparisons with simulations. The related cosmic variance affects our ability to interpret the results. Simulations constrained by observational data are a perfect remedy to this problem. Achieving such simulations requires the projects Cosmicflows and CLUES. Cosmicflows builds catalogs of accurate distance measurements to map deviations from the expansion. These measures are mainly obtained with the galaxy luminosity-rotation rate correlation. We present the calibration of that relation in the mid-infrared with observational data from Spitzer Space Telescope. Resulting accurate distance estimates will be included in the third catalog of the project. In the meantime, two catalogs up to 30 and 150 h−1 Mpc have been released. We report improvements and applications of the CLUES’ method on these two catalogs. The technique is based on the constrained realization algorithm. The cosmic displacement field is computed with the Zel’dovich approximation. This latter is then reversed to relocate reconstructed three-dimensional constraints to their precursors’ positions in the initial field. The size of the second catalog (8000 galaxies within 150 h−1 Mpc) highlighted the importance of minimizing the observational biases. By carrying out tests on mock catalogs, built from cosmological simulations, a method to minimize observational bias can be derived. Finally, for the first time, cosmological simulations are constrained solely by peculiar velocities. The process is successful as resulting simulations resemble the Local Universe. The major attractors and voids are simulated at positions approaching observational positions by a few megaparsecs, thus reaching the limit imposed by the linear theory / Die Verteilung der Galaxien liefert wertvolle Erkenntnisse über die großräumigen Strukturen im Universum. Ihre durch Gravitation verursachte Bewegung ist ein direkter Tracer für die Dichteverteilung der gesamten Materie. Die Strukturentstehung und die Entwicklung von Galaxien wird mithilfe von numerischen Simulationen untersucht. Es gibt jedoch nur ein einziges beobachtbares Universum, welches mit der Theorie und den Ergebnissen unterschiedlicher Simulationen verglichen werden muß. Die kosmische Varianz erschwert es, das lokale Universum mit Simulationen zu reproduzieren. Simulationen, deren Anfangsbedingungen durch Beobachtungsdaten eingegrenzt sind (“Constrained Simulations”) stellen eine geeignete Lösung dieses Problems dar. Die Durchführung solcher Simulationen ist das Ziel der Projekte Cosmicflows und CLUES. Im Cosmicflows-Projekt werden genaue Entfernungsmessungen von Galaxien erstellt, welche die Abweichung von der allgemeinen Hubble- Expansion abbilden. Diese Messungen werden hauptsächlich aus der Korrelation zwischen Leuchtkraft und Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien gewonnen. In dieser Arbeit wird die Kalibrierung dieser Beziehung im mittleren Infrarot mithilfe von Daten vom Spitzer Space Telescope vorgestellt. Diese neuen Entfernungsbestimmungen werden im dritten Katalog des Cosmicflows Projekts enthalten sein. Bisher wurden zwei Kataloge veröffentlicht, mit Entfernungen bis zu 30 beziehungsweise 150 h−1 Mpc. In dieser Arbeit wird die CLUESMethode auf diese zwei Kataloge angewendet und Verbesserungen warden vorgestellt und diskutiert. Zunächst wird das kosmische Verschiebungsfeld mithilfe der Zeldovich-Näherung bestimmt. In umgekehrter Richtung kann man damit die aus heutigen Beobachtungsdaten rekonstruierten dreidimensionalen Constraints an ihren Ursprungsort im frühen Universum zurückzuversetzen. Durch den großen Datenumfang des cosmicflows-2 Katalogs (8000 Galaxien bis zu einer Entfernung von 150 h−1 Mpc) ist es besonders wichtig, den Einfluss verschiedener Beobachtungsfehler zu minimieren. Eine für das lokale Universum angepasste Korrekturmethode lässt sich durch die Untersuchung von Mock-Katalogen finden, welche aus kosmologischen Simulationen gewonnen werden. Schließlich stellt diese Arbeit erstmals kosmologische Simulationen vor, die ausschließlich durch Pekuliargeschwindigkeiten eingegrenzt sind. Der Erfolg dieser Methode wird dadurch bestätigt, dass die dadurch erzeugten Simulationen dem beobachteten lokalen Universum sehr ähnlich sind. Die relevanten Attraktoren und Voids liegen in den Simulationen an Positionen, welche bis auf wenige Megaparsec mit den beobachteten Positionen übereinstimmen. Die Simulationen erreichen damit die durch die lineare Theorie gegebene Genauigkeitsgrenze

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen semi-analytischen Ansatz zur Modellierung der Dichteverteilung von DM im Galaktischen Halo. Aus den verschiedenen Substrukturmodellen wird die γ-Strahlungsintensität, welche die Erde erreicht, berechnet. Eine Spannbreite plausibler γ-Strahlungsintensitäten aufgrund der Paarvernichtung Galaktischer DM wird vorgeschlagen, welche die Vorhersagen verschiedener früherer Studien umfasst, und es werden die durchschnittlichen Massen, Abstände und ausgedehnten Strahlungsprofile der γ-strahlungsintensivsten DM-Verdichtungen berechnet. Schließlich werden die DM-Modelle für eine umfassende Berechnung der Nachweismöglichkeit Galaktischer Substrukturen mit CTA verwendet. Die instrumentelle Sensitivität zum Nachweis der γ-strahlungsintensivsten DM-Substruktur wird für eine mit CTA geplanten großflächigen Himmelsdurchmusterung außerhalb der Galaktischen Ebene berechnet. Die Berechnung wird mit CTA Analyse- Software und einer Methode durchgeführt, welche auf einer Likelihood beruht. Eine alternative, ebenfalls Likelihood-basierte Analysemethode wird entwickelt, mit welcher DM-Substrukturen als äumliche Anisotropien im Multipolspektrum des Datensatzes einer Himmelsdurchmusterung nachgewiesen werden können. Die Analysen ergeben, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA und eine anschließende Suche nach γ-Strahlung von DM-Substrukturen Wirkungsquerschnitte für eine Paarvernichtung in der Größenordnung von (σv) > 1 × 10−24 cm3 s−1 für eine DM-Teilchenmasse von mχ ∼ 500 GeV auf einem Vertrauensniveau von 95% ausschließen kann. Diese Sensitivität ist vergleichbar mit Langzeitbeobachtungen einzelner Zwerggalaxien mit CTA. Eine modellunabhängige Analyse ergibt, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA Anisotropien im diffusen γ-Strahlungshintergrund oberhalb von 100 GeV für relative Schwankungen von CPF > 10−2 nachweisen kann. / In the current understanding of structure formation in the Universe, the Milky Way is embedded in a clumpy halo of dark matter (DM). Regions of high DM density are expected to emit enhanced γ-radiation from the DM relic annihilation. This γ-radiation can possibly be detected by γ-ray observatories on Earth, like the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). This dissertation presents a semi-analytical density modeling of the subclustered Milky Way DM halo, and the γ-ray intensity at Earth from DM annihilation in Galactic subclumps is calculated for various substructure models. It is shown that the modeling approach is able to reproduce the γ-ray intensities obtained from extensive dynamical DM simulations, and that it is consistent with the DM properties derived from optical observations of dwarf spheroidal galaxies. A systematic confidence margin of plausible γ-ray intensities from Galactic DM annihilation is estimated, encompassing a variety of previous findings. The average distances, masses, and extended emission profiles of the γ-ray-brightest DM clumps are calculated. The DM substructure models are then used to draw reliable predictions for detecting Galactic DM density clumps with CTA, using the most recent benchmark calculations for the performance of the instrument. A Likelihood-based calculation with CTA analysis software is applied to find the instrumental sensitivity to detect the γ-ray-brightest DM clump in the projected CTA extragalactic survey. An alternative Likelihood-based analysis method is developed, to detect DM substructures as anisotropies in the angular power spectrum of the extragalactic survey data. The analyses predict that the CTA extragalactic survey will be able to probe annihilation cross sections of ⟨σv⟩ > 1 × 10−24 cm3 s−1 at the 95% confidence level for a DM particle mass of mχ ∼ 500 GeV from DM annihilation in substructures. This sensitivity is compatible with long-term observations of single dwarf spheroidal galaxies with CTA. Independent of a particular source model, it is found that the CTA extragalactic survey will be able to detect anisotropies in the diffuse γ-ray background above 100 GeV at a relative amplitude of CP_F > 10−2.