Dark matter (DM), whose nature and interaction mechanisms are still an open issue, constitutes about 25 % of the Universe energy density. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are considered as strong candidates for particle DM and their search is conveniently carried out through the detection of gamma rays. The newly discovered ultra-faint dwarf spheroidal galaxies (dSphs), located in the vicinity of the Galaxy, exhibit high values of the mass to luminosity ratio, and are therefore considered as strongly dominated by DM. These objects are within reach of the Cherenkov Telescope Array (CTA), which is the future project for gamma-ray astronomy, with an better sensitivity (one order of magnitude) with respect to the current generation experiments. The main goal of the present work is the study of the sensitivity of CTA to WIMPs DM particles, by simulating the observation of the ultra-faint dwarf spherical galaxies Triangulum II, Reticulum II and Carina III, as well as of the classical dwarf galaxy Sculptor, for different annihilation channels, between 70 GeV and 100 TeV. The sensitivity curve in the WIMPs parameter space (velocity-averaged annihilation cross section < σ ν > and DM mass mDM) was computed. We found that, within the sample of dwarf galaxies tested, Triangulum II is the most promising source, able to reach the thermal freeze-out values in the annihilation channel τ+τ- for only 50 hours of observation. Our result, the first estimation of the sensitivity for DM searches in ultra-faint dwarfs with CTA, is consistent with results from current generation experiments, showing better performance over an extended energy range. The limited sample of available stars in the targets induces uncertainties on the DM content. Future measurements, leading to a better understanding of the sources dynamic equilibrium, can improve this situation. Even so, the combination of the high DM content in the ultra-faint dwarf galaxies, together with the excellent expected performance of the future CTA, provides a promising result for indirect DM searches. / A matéria escura, cuja natureza e mecanismos de interação ainda estão em aberto, compõe 25% da densidade de energia do Universo. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) apresentam-se como forte candidatas e sua busca é convenientemente conduzida através de raios gama. As recém descobertas galáxias esferoidais anãs ultra-fracas, situadas nos arredores da Galáxia, apresentam altos valores da razão entre massa e luminosidade, sendo portanto consideradas objetos fortemente dominados por matéria escura. Esses objetos estão ao alcance do Cherenkov Telescope Array (CTA), que é o futuro projeto da astronomia gama, com sensibilidade de uma order de grandeza melhor do que os experimentos atuais. O presente trabalho teve como objetivo estudar o potencial de detecção indireta de WIMPs através de raios gama com o futuro observatório CTA, observando as galáxias esferoidais anãs ultra-fracas Triangulum II, Retículum II e Carina III e a galáxia anã clássica Sculptor, para diferentes canais de aniquilação, entre 70 GeV e 100 TeV. A curva de sensibilidade no espaço de parâmetros livres de WIMPs (massa da partícula mDM e médida da seção de choque de aniquilação ponderada pela velocidade < σ ν >) foi calculada. Nós encontramos que dentro da amostra de galáxias anãs testadas, Triangulum II é a fonte mais promissora, capaz de testar os valores térmicos no canal de aniquilação τ+τ- considerando apenas 50 horas de observação pelo CTA. Nosso resultado, a primeira estimativa da sensibilidade para busca de matéria escura em galáxias esferoidais anãs ultra-fracas com CTA, é consistente com resultados de experimentos da geração atual, e mostra um melhor desempenho em uma faixa de energia estendida. Os resultados são afetados pelas incertezas devido à pequena amostra de estrelas dos alvos escolhidos, que se reflete no conhecimento do conteúdo de matéria escura. Novas medidas podem ajudar a esclarecer essa situação. Ainda assim, a combinação de galáxias anãs ultra-fracas, aliada às melhorias do futuro CTA, apresenta-se como um passo muito promissor para buscas indiretas de matéria escura.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-25042019-103507 |
| Date | 20 September 2018 |
| Creators | Nakashima, Danielle Kaori |
| Contributors | Vecchi, Manuela |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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