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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-36289
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3628/


Suche nach dunkler Materie mit den H.E.S.S.-Cherenkov-Teleskopen

Search for dark matter with the H.E.S.S. cherenkov telescopes

Ripken, Joachim

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SWD-Schlagwörter: Dunkle Materie , Galaktisches Zentrum
Freie Schlagwörter (Deutsch): Astroteilchenphysik , Hochenergie-Astrophysik , Gamma-Astronomie
Freie Schlagwörter (Englisch): astroparticlephysics , high energy astrophysics , gamma astronomy
Basisklassifikation: 39.30 , 39.22 , 33.56
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Heinzelmann, Götz (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.12.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 01.04.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Die Natur der dunklen Materie ist nach wie vor ungeklart und stellt eine der fundamentalsten Fragen der aktuellen Kosmologie dar. In vielen verschiedenen Experimenten wird versucht, diese Teilchen, die sogenannten WIMPs (aus dem Englischen: Weakly Interacting Massive Particles), nachzuweisen. In einigen Modellen der dunklen Materie wird vorhergesagt, dass sehr hochenergetische -Strahlung durch Annihilation der WIMPs in konzentrierten Ansammlungen dunkler Materie produziert wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anhand von Beobachtungen im Energiebereich von 100 GeV bis 100 TeV mit dem System abbildender Cherenkov-Teleskope des H.E.S.S.-Experiments (aus dem Englischen: High Energy Stereoscopic System) verschiedene Objekte untersucht, ob die gemessene Strahlung ihren Ursprung in der Annihilation von Teilchen dunkler Materie haben konnte. Das Zentrum unserer Galaxie ist ein in der Literatur viel diskutierter Bereich, in dem sehr hochenergetische -Strahlung aus Annihilation dunkler Materie entstehen konnte. Es wurde mit H.E.S.S. sehr hochenergetische -Strahlung aus dieser Richtung nachgewiesen. Es wird aber gezeigt, dass die gemessene Strahlung aus der Richtung des galaktischen Zentrums nicht ausschlie lich von dunkler Materie erzeugt wird. Daher wurde zusatzlich untersucht, welche Aussagen mit der Hypothese getro en werden konnen, dass nur ein Anteil aus dieser Strahlung besteht. Es konnten interessante Einschrankungen auf das Dichtepro l der hypothetischen DM-Ansammlung gewonnen werden; ein Dichtepro l nach Moore kann fur viele Parametersatze der untersuchten Modelle ausgeschlossen werden. Auf den Wirkungsquerschnitt der Annihilation kann keine relevante Einschrankung erzielt werden. Die gleiche Untersuchung wurde an den Beobachtungsdaten der Radiogalaxie M87 vorgenommen. Hier konnten keine Modellvorstellungen ausgeschlossen werden. Des Weiteren wird auf die Frage eingegangen, wie wahrscheinlich das Au nden einer alleinigen Ansammlung dunkler Materie in unserem galaktischen Halo, eines sogenannten Klumpens, ist. Ein solcher Klumpen wurde sich ausschlie lich als Quelle von -Strahlung ohne nachweisbare Emission in anderen Wellenlangen zeigen. Mit einer Monte-Carlo Simulation wird deutlich, dass auch in einer intensiven Suche ein solcher Fund unwahrscheinlich ist. Die zufallig entdeckte Quelle HESS J1303-631 ist bislang unidenti ziert, das hei t, sie wurde noch nicht in anderen Wellenlangen nachgewiesen. Aus der Morphologie der Quelle, sollte es sich um einen Klumpen dunkler Materie handeln, kann auf das Dichtepro l geschlossen werden. Das so gewonnene Dichtepro l ist nicht kompatibel zu den Erwartungen fur einen Klumpen dunkler Materie. Zum Schluss wird noch kurz abgeschatzt, dass eine Signatur in den Spektren extragalaktischer -Quellen durch Photonabsorption mit einem Schleifenprozess durch dunkle Materie um viele Gro enordnungen zu schwach ware, um nachgewiesen werden zu konnen.
Kurzfassung auf Englisch: The nature of the dark matter is still unknown and is at present one of the most fundamental questions in cosmology. Many di erent experiments try to detect these particles referred to as WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). In some models of the dark matter the production of very high energy gamma radiation in annihilation processes of the particles in accumulations of dark matter are predicted. For this thesis the question was investigated, whether the measured radiation observed from objects with expected high conzentrations of dark matter might have its origin in dark matter annihilation. The data were taken with the system of imaging atmospheric Cherencov telescopes of the H.E.S.S. experiment in the energy range from 100 GeV to 100 TeV The center of our galaxy has been discussed extensively in the literature as a target to detect gamma radiation from dark matter annihilation. With H.E.S.S. very high energy gamma radiation was observed from this direction. It is shown that it is unlikely that the measured radiation is produced by dark matter radiation only. Therefore is was also investigated, whether only a part of this radiation can originate from annihilation and which conclusions can be made from this hypothesis. Interesting limits on the density pro le of the hypothetical dark matter concentration are calculated: A pro le postulated by Moore can be ruled out for many parameter sets of the investigated models. On the annihilation cross section no relevant limits can be given. The same investigation were done for the observations on the radio galaxy M87. The calculated limits don't rule out model predictions. The question about the probability of the detection of an accumulation of dark matter only, a so called clump, in our galactic halo was tested. Such a clump would be visible only in gamma radiation and wouldn't have any counterpart in other wavelengths. A Monte-Carlo simulation has shown, that also in an intensive search such a detection is unlikely. The extended source of very high energy gamma radiation HESS J1303-631 discovered by chance is unidenti ed i.e. doesn't have any known counterpart in other wavelengths. The hypothesis that this source is a dark matter clump was tested by calculating the needed density pro le to produce the observed morphology. The result doesn't support the hypothesis. At the end the question is examined, whether photon absorption by dark matter particles via a loop process produces a measurable signature in the photon spectrum of extragalactic gamma ray sources. The produced imprint is far too weak to be detectable.

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