Effective Lagrangian of fermionic Dark Matter - Search for supersymmetric Dark Matter with the CELESTE gamma ray telescope
Modèle effectif de matière noire fermionique - Recherche de matière noire supersymétrique avec le télescope gamma CELESTE
Résumé
The purpose of this thesis is to discuss both phenomenological and experimental aspects of Dark Matter, related to its indirect detection with gamma-ray astronomy. In the MSSM framework, neutralinos arise as natural candidates to non-baryonic and Cold Dark Matter, whose gravitational effects manifest in the Universe at different scales. As they are Majorana particles, they may in principle annihilate in hign density regions, as the centres of galaxies, and produce gamma rays. Nevertheless, the expected fluxes are basically low compared to experimental sensitivities. After estimating gamma fluxes from M31 and Draco galaxies in the MSSM scheme, we first generalize the MSSM couplings by studying an effective Lagrangian. We show that the only constraint of imposing a relic abundance compatible with recent measurements obviously deplete significantly the gamma ray production, but also that predictions in this effective approach are more optimistic for indirect detection than the MSSM. In a second part, we present the indirect searches for Dark Matter performed with the CELESTE Cherenkov telescope towards the galaxy M31. We propose a statistical method to reconstruct spectra, mandatory to discriminate classical and exotic spectra. The M31 data analysis enables the extraction of an upper limit on the gamma ray flux, which is the first worldwide for a galaxy in the energy range 50-500 GeV, and whose astrophysical interest goes beyond indirect searches for Dark Matter.
Ce mémoire aborde la problématique de la matière noire, sous des angles à la fois phénoménologiques et expérimentaux. Dans le MSSM, la matière noire froide et non-baryonique, mise en évidence aux différentes échelles de l'univers par ses effets gravitationnels, trouve une origine sous la forme de fermions de Majorana : les neutralinos. Ces particules peuvent en principe s'annihiler dans zones où elles sont naturellement concentrées, comme le coeur des halos de galaxies, et être à l'origine de rayonnement gamma. Or, les flux prédits pour ces modèles sont génériquement faibles au regard des sensibilités expérimentales. Après avoir établi des prédictions de flux de photons gamma pour les galaxies M31 et Draco dans le cadre du MSSM, nous généralisons les couplages du MSSM au moyen d'un lagrangien effectif. Nous montrons que la seule contrainte d'une densité fossile d'intérêt cosmologique suffit évidemment à réduire considérablement les flux de photons, indépendamment de la nature quantique de la matière noire (fermions de Dirac/Majorana), mais que des couplages effectifs permettent d'atteindre des prédictions plus optimistes. Enfin, nous présentons la recherche de signature de matière noire supersymétrique opérée avec le télescope à effet Tcherenkov CELESTE, reposant sur l'observation de la galaxie M31. Nous développons une méthode de reconstruction spectrale, préalable à la recherche d'un signal exotique. L'analyse des données collectées sur M31 permet d'obtenir la première limite expérimentale sur une galaxie dans l'intervalle 50-500 GeV, et fournit une information astrophysique dépassant la seule problématique de la matière noire.