Indirect searches of the TeV dark matter

Resumen

Según el Modelo Cosmológico Estándar y de acuerdo con los datos de PLANCK, el 26.8% del contenido del Universo sería materia oscura (DM). En el caso de que dicha componente esté constituida por partículas, distintos experimentos de búsqueda directa e indirecta, podrían detectarla. La mayoría de los estudios sobre DM se han centrado hasta ahora en partículas de masas menores de 1 TeV. Sin embargo, el límite permitido en la masa para DM térmica alcanza los 100 TeV. Este tipo de DM a escala del TeV (TeVDM) es particularmente atractiva, teniendo en cuenta la ausencia de evidencias experimentales con respecto a la existencia de DM a masas más bajas. En esta tesis se muestra que el flujo de rayos gamma observado por el telescopio HESS desde la fuente J1745-290 situada en el centro galáctico (GC) puede ser ajustado como una señal de TeVDM más una componente de fondo, siendo esta última compatible con la misma fuente J1745.6-29000 observada por FERMI-LAT. Nuestro análisis es independiente del modelo de DM, sin embargo, estudiamos el caso particular de los branones. En concreto DM con masas alrededor de los 50 TeV constituida por branones que se aniquilan principalmente en una combinación de W+W y ZZ explicaría los datos de HESS y FERMI-LAT entre 1 GeV y 50 TeV. Los branones son fluctuaciones masivas de una brana, es decir nuevos campos escalares cuyo acoplamiento con las partículas del SM es inversamente proporcional a la tensión f4 de la brana. En esta tesis analizamos el flujo mínimo de rayos gamma producidos en la aniquilación de branones en varias fuentes astrofísicas y estimamos la sensibilidad de diversos experimentos, tanto satélites como telescopios Cherenkov para este tipo de señales. En segundo lugar, hemos realizado un análisis detallado sobre la posible detección de un flujo de neutrinos emitidos por aniquilación de DM a la escala del TeV en el GC. Presentamos explícitamente la mejor combinación de área efectiva, ángulo de resolución y tiempo de exposición necesarias para detectar el flujo de neutrinos esperado. Además, hemos estudiado el flujo de antiprotones que podría ser generado por una fuente puntual en el GC. Para desarrollar estos análisis, hay que tener en cuenta que la TeVDM térmica necesita un factor astrofísico más grande que el estándar para explicar el flujo observado de rayos gamma. Un aumento local en la densidad de DM es conceptualmente muy distinto a un aumento en el valor de la sección eficaz de aniquilación, que tendría un efecto global en toda la distribución de DM en el halo de la Galaxia. Sin embargo, se demuestra que en ambos casos el flujo de antiprotones generado por TeVDM queda por debajo del flujo difuso detectado por PAMELA. Finalmente discutimos ciertas incertidumbres asociadas con la búsqueda indirecta de DM. Todos los análisis presentados en esta tesis, utilizan simulaciones Monte Carlo de los eventos de aniquilación y desintegración. Estas simulaciones pueden ser desarrolladas con diferentes códigos. PYTHIA y HERWIG son los más populares, ambos en las dos versiones de FORTRAN y C++. Por ejemplo, estudiamos el flujo de rayos gamma generado por los cuatro códigos. Las cuatro simulaciones presentan diferencias no solamente en la forma del espectro, sino también en el número de fotones emitidos en cada evento. Estas incertidumbres pueden afectar en particular a la estimación del factor astrofísico y/o a la del valor de las secciones eficaces de aniquilación. Este último análisis y el conjunto de los resultados presentados en esta tesis muestran que aunque un candidato de TeVDM parezca ser compatible con los datos de rayos gamma, neutrinos y antiprotones, una mejora en el estudio de partículas pesadas en aceleradores de partículas y experimentos de búsqueda directa será fundamental en un futuro próximo para comprobar o rechazar la hipótesis de TeVDM.