Propagation of Galactic Cosmic Rays and Dark Matter indirect Detection

Propagation des rayons cosmique galactiques et détection indirecte de matière sombre

Timur Delahaye (1, 2)

1 LAPTH - Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique
2 UNITO - Università degli studi di Torino = University of Turin

Abstract : This thesis is dedicated to the study of propagation of cosmic electrons and positrons in the Milky Way and to the indirect detection of dark matter. The existence of dark matter is a hypothesis considered as reasonable from the point of view of cosmology, astrophysics and even particle physics. Nevertheless its detection still eludes us and it is not possible to verify this hypothesis by other means than gravitational one. A possible way to detect dark matter is to look for its annihilation or decay products among Galactic cosmic rays. During the last three years, data concerning cosmic ray electrons and positrons have been accumulated and have reached a remarkable precision. Such a precision requires from us to refine the theoretical models and to quantify the errors. This thesis addresses the study of all the sources of uncertainties affecting predictions of cosmic electrons and positron fluxes, primary and secondary, classical or from exotic origin. The greatest care has been dedicated to the sources and the propagation in the Galactic halo. Moreover a study of gamma and radio emissions associated to these cosmic rays is presented, again with the will of sizing uncertainties. Finally a status of the research for detection of annihilation or decay of Galactic dark matter is presented.

Cette thèse est dédiée à l'étude de la propagation des électrons et positrons cosmiques dans la Voie Lactée ainsi qu'à la détection indirecte de matière sombre. L'existence de la matière sombre dans l'Univers est une hypothèse raisonnable du point de vue de la cosmologie, de l'astrophysique mais également de la physique des particules. Pourtant sa détection nous échappe encore et il n'est pas possible de vérifier la validité de cette hypothèse autrement que par des moyens faisant intervenir la gravitation. L'une des voies possibles pour la détection de la matière sombre et la compréhension de ses propriétés, consiste à chercher les produits de son annihilation ou de sa désintégration dans les rayons cosmiques Galactiques. Durant ces trois dernières années, les données concernant les flux d'électrons et de positrons cosmiques se sont accumulées et ont atteint des précisions remarquables. Une telle précision expérimentale exige que l'on rafine les modèles théoriques et que l'on quantifie les erreurs. Cette thèse s'efforce donc de recenser et de quantifier toutes les sources d'incertitudes des prédictions de flux d'électrons et de positrons cosmiques, qu'ils soient primaires ou secondaires, classiques ou exotiques. La plus grande attention a été portée sur les sources et la propagation dans le halo Galactique. De plus, une étude des émissions gamma et radio associées à ces rayons cosmiques est présentée, toujours avec la même volonté de mesurer les incertitudes. Enfin, un état des lieux de la recherche de détection de l'annihilation ou de la désintégration de la matière sombre galactique est présenté.

Mots clés: cosmic ray; dark matter; indirect detection

Mots clés: rayon cosmique; matière sombre; propagation; détection indirecte

Domaines: Physique mathématique [math-ph]; Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]; Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]; Astrophysique [astro-ph]

Timur Delahaye. Propagation of Galactic Cosmic Rays and Dark Matter indirect Detection. Mathematical Physics [math-ph]. Université de Savoie; Università degli studi di Torino, 2010. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00530422v3⟩