Indirect and inclusive search for dark matter with AMS-02 space spectrometer
Recherche indirecte et inclusive de matière noire avec le spectromètre spatial AMS-02
Résumé
AMS02 is a particle physics detector designed for 3 years of data taking abroad the International Space Station. Equipped with a superconducting magnet, it will allow to measure gamma and cosmic ray fluxes in the GeV to TeV region with high particle identification capabilities. Its performance is based on the redundancy of measurements in specific sub-detectors : a Time-Of-Flight counter, a Transition Radiation Detector, a Silicon Tracker, a Ring Imaging CHerenkov counter and an Electromagnetic calorimeter (Ecal).
The Ecal is studied in details, in particular with the qualification of a stand-alone trigger devoted to gamma ray astronomy. This system allows to increase the AMS02 sensitivity photons, and to improve the reconstruction of electromagnetic events. The analog part of the trigger system has been tested with test benches and in beam at CERN. The in-orbit calibration of the Ecal is studied, it may proceed in two steps. First, the Ecal cells responses have to be equalized with minimum ionizing particles data. Then an absolute calibration can be performed with cosmic electrons. For both the relative and the absolute calibration, possible procedures are defined and realistic calibration times are estimated.
The second part deals with the indirect searches for dark matter and the study of the AMS02 sensitivity. Dark matter stands for 84% of the Universe mass and could consist in new particles. Such particles can be naturally predicted by new physics beyond the Standard Model, like supersymmetry or extra space-time dimensions. Dark matter particles are expected to surround our Galaxy and annihilate in high density regions. These annihilations could become observable exotic primary cosmic ray sources. Searches for anomalous excesses in antiprotons, positrons, antideuterons and gamma ray fluxes will be performed by AMS02. A numerical tool allowing to perform predictions for these exotic fluxes within supersymmetry or extra-dimension is developed and is presented in details. henomenological studies regarding possible enhancements of these signals by over-dense regions of the halo have also been handled. The specific case of the clumping of dark matter particles around intermediate mass black holes has been studied, leading to quantitative predictions which are addressed. The spectrum generator is eventually used to estimate AMS02 sensitivity to dark matter signals and its capability to reconstruct the annihilation final state and thus the underlying new physics model.
The Ecal is studied in details, in particular with the qualification of a stand-alone trigger devoted to gamma ray astronomy. This system allows to increase the AMS02 sensitivity photons, and to improve the reconstruction of electromagnetic events. The analog part of the trigger system has been tested with test benches and in beam at CERN. The in-orbit calibration of the Ecal is studied, it may proceed in two steps. First, the Ecal cells responses have to be equalized with minimum ionizing particles data. Then an absolute calibration can be performed with cosmic electrons. For both the relative and the absolute calibration, possible procedures are defined and realistic calibration times are estimated.
The second part deals with the indirect searches for dark matter and the study of the AMS02 sensitivity. Dark matter stands for 84% of the Universe mass and could consist in new particles. Such particles can be naturally predicted by new physics beyond the Standard Model, like supersymmetry or extra space-time dimensions. Dark matter particles are expected to surround our Galaxy and annihilate in high density regions. These annihilations could become observable exotic primary cosmic ray sources. Searches for anomalous excesses in antiprotons, positrons, antideuterons and gamma ray fluxes will be performed by AMS02. A numerical tool allowing to perform predictions for these exotic fluxes within supersymmetry or extra-dimension is developed and is presented in details. henomenological studies regarding possible enhancements of these signals by over-dense regions of the halo have also been handled. The specific case of the clumping of dark matter particles around intermediate mass black holes has been studied, leading to quantitative predictions which are addressed. The spectrum generator is eventually used to estimate AMS02 sensitivity to dark matter signals and its capability to reconstruct the annihilation final state and thus the underlying new physics model.
AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).
Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.
Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.
Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.
Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.