This thesis examines two recent anomalous cosmic ray (CR) positron detections in the context of the ongoing search for the particle nature of dark matter (DM), which composes 85% of the matter content of the Universe. The first CR anomaly, detected by the European INTEGRAL/SPI experiment via 511 keV gamma rays from the center of the Galaxy, suggests an unaccounted-for production of low-energy positrons in the region surrounding the galactic center (GC). We model the production of electron-positron pairs from the decay or interaction of cold dark matter in an Einasto profile. We show that the INTEGRAL signal can be fit by scattering DM in a halo with the shape parameters predicted by many-body simulations, with a significance on par with previous phenomenological fits, but with six fewer degrees of freedom. This can be achieved with annihilating low-mass DM, or with scattering of excited dark matter (XDM), with cross-sections compatible with thermal WIMP production in the early universe.The second CR anomaly is the rising positron fraction from 10 to 200 GeV observed by the PAMELA satellite and confirmed by NASA's Fermi-LAT. Although previous studies had considered Sommerfeld-enhanced DM annihilation as a possible source, they did not consider the full impact of the dark matter substructure predicted to exist by simulations. We show that including this substructure can give a better fit to the PAMELA and Fermi data, but that this is not sufficient to overcome the strict gamma-ray bounds from the Fermi-Large Area Telescope (LAT) diffuse gamma ray data. We finally show that a single, nearby subhalo can explain the excess, while simultaneously avoiding gamma ray and dipole anisotropy constraints, and that it is possible to create a Sommerfeld-enhanced particle physics model that produces the required annihilation cross-section and is compatible with cosmological bounds. / Nous examinons dans cette thèse deux détections récentes de positrons dans le rayonnement cosmique, dans le contexte d'une origine possible sous la forme de matière sombre (MS). Quoique celle-ci englobe 85% de la matière dans l'univers, sa détection jusqu'à présent ne s'est faite que par son intéraction gravitationnelle. La première anomalie, observée par le satellite Européen INTEGRAL via un excès de rayons gamma de 511 keV issus du centre de la Voie Lactée, suggère une production élevée de positrons dans cette région. En modélisant la production de paires d'électrons-positrons par la décomposition ou l'intéraction de MS dans un profil Einasto, nous obtenons un ajustement d'aussi bonne qualité que les meilleures études précedentes purement phénoménologiques, mais avec six degrés de liberté en moins. Ceci peut être réalisé avec l'annihilation de MS d'environ 1 MeV, ou avec la diffusion de MS à plusieurs niveaux d'énergie (XDM) de masse élevée, avec des sections efficaces consistantes avec la production thermique de WIMPs au début de l'Univers. La deuxième anomalie, mesurée par le satellite PAMELA et confirmée par le Large Area Telescope (LAT) de Fermi, est constituée d'une fraction de positrons qui s'élève de 10 à 200GeV et qui ne peut être expliquée par le spectre d'antimatière secondaire attendu. Quoique des études précédentes ont considéré une explication en terme de MS qui s'annihile à l'aide d'un mécanisme de Sommerfeld, nous avons été les premiers à examiner l'impact des milliers de subhalos (SH) de MS qui devraient exister selon les simulations numériques. Nous démontrons que l'inclusion des SH donne un meilleur ajustement aux données de PAMELA et Fermi, mais que ce n'est pas suffisant pour obéir aux limites établies par les observations gamma de Fermi-LAT. Nous montrons finalement qu'un seul SH très proche pourrait expliquer l'anomalie PAMELA, sans enfreindre les contraintes de rayonnement gamma et d'anisotropie dipolaire actuelles et qu'il est possible de créer un modèle de physique des particules qui produit la section efficace nécéssaire et qui est toutefois consistante avec les limites établies par la cosmologie.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110551 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Vincent, Aaron |
| Contributors | James M Cline (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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