DarkSPIDER: A Tool to Constrain Parameter Space of Generic Dark Matter Models with Astrophysical Observations

Abstract

Das Thema dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung des DarkSPIDER Programms für die Suche nach dunkler Materie (DM) mit allgemeinen Modellen sowie dessen Anwendung. Nach jahrzehntelanger Suche nach supersymmetrischen Teilchen, spezieller nach WIMPs (weakly interacting dark matter), konnten nur negative Resultate in indirekten, direkten und Beschleunigerexperimenten gefunden werden. Art und Eigenschaften der dunklen Materie bleiben rätselhaft. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird versucht, möglichst viele allgemeine Modelle zu sammeln, um ein Gesamtbild des Feldes zu erlangen. Zusammen mit Daten neuerer Experimente werden komplementäre Einschränkungen berechnet, mit dem Ziel diejenigen Modelle zu finden, welche mit den experimentellen Daten kompatibel sind. Zur Berechnung des Wechselwirkungsquerschnittes der Annihilation wird eine mit einfachen Modellen ergänzte effektive Feldtheorie verwendet. Die Einschränkungen aus indirekten Experimenten werden, ausgehend von einer gegebenen Reliktdichte, berechnet. Koannihilation wird ebenfalls berücksichtigt, um den Effekt von mehreren Teilchen im dunklen Sektor zu untersuchen. Das Ergebnis dieser Arbeit ist der Ausschluss eines großen Teils des Parameterraumes. Lediglich kleine Regionen im Bereich 10 GeV und oberhalb von 10 TeV sind im Rahmen der getesteten Modelle erlaubt.

Vorherige Arbeiten konzentrierten sich auf s-Wellen Modelle für DM. Die Kopplung der dunklen Materie an Standardmodellteilchen ist in vielen p-Wellen Modelle unterdrückt und daher nicht für einen direkten Nachweis oder Beschleunigerexperimente zugänglich. Der Wechselwirkungsquerschnitt von p-Wellen DM-Kandidaten ist Geschwindigkeitsabhängig, und könnte durch “boost”-Faktoren verstärkt werden. Daher wurden auch Sommerfeld-verstärkte p-Wellen Annihilationsmodelle untersucht. Die Dynamik von DM-dominierten sphärischen Zwerggalaxien (dwarf spheroidals, dSphs) wurde durch Anwendung der Jeans-Gleichung auf allgemeine Modelle der Massendichte- und Anisotropieprofile untersucht. Hierbei wurde die PSO-Methode (particle swarm optimization method, Teilchenschwarmoptimierung) implementiert, um einen schnellen Scan des Parameterraumes zu ermöglichen. Die Ergebnisse erlauben eine neue Sicht auf das “core-cusp” Problem. Die Berechnung des effektiven Wechselwirkungsquerschnittes aus dSphs zeigt, dass die durch die Reliktdichte erlaubten Modelle keinen starken geschwindigkeitsabhängigen “boost”-Faktor der Sommerfeldverstärkung aufweisen. Schli- eßlich wurde der isotrope Gammastrahlen-Hintergrund (IGRB) für den Fall der p-Wellen DM studiert. Der IGRB wurde zu den astrophysikalischen Objekten hinzugefügt, um dann eine neue Anpassung an FermiLAT IGRB Daten durchzuführen. Sowohl die prompte Emission, als auch Inverse Compton Streuung (IC) wurden hier berücksichtigt. Dies führte zum Ausschluss sehr kleiner Regionen im Bereich zwischen 1 und 50 GeV. Allerdings liefert dieses Modell im selben Massenbereich der DM und für mehrere Annihilationskanäle eine bessere Anpassung als ein Modell ohne Berücksichtigung der dunklen Materie.

Das DarkSPIDER Paket ist ein unabhängiges Fortran-Tool, welches auch auf weitere DM-Modelle erweitert, und auf weitere experimentelle Daten angewendet werden könnte.

The topic of this thesis is the development and applications of the DarkSPIDER program for Dark Matter searches with generic models. After decades-long efforts in the searches for the Supersymmetric particle candidate namely the weakly interacting Dark Matter (WIMP), only null results have been found in the indirect, direct, and collider-based experiments. The nature and properties of Dark Matter remain puzzling to us.

This thesis tries to collect as many generic models as possible to make a global view of this field. Together with data from all the recent experiments, complementary constraints are obtained in order to find models which could not be excluded. For the annihilation cross section, the effective field theory supplemented with simplified models is applied in the analysis. With the requirement of the relic density, the constraints from indirect detection are computed. The case of coannihlation is also taken into account to see what it will change if there are multiple particles in the dark sector. It is found that most of the parameter space has been ruled out except some small regions around several GeV or above 10 TeV are still allowed in the models treated here.

However, most of the previous efforts have been done for the s-wave annihilating Dark Matter. Many p-wave models have parametrically suppressed couplings to the SM particles, they are not accessible in direct detection or collider-based experiments. The annihilation cross section of the p-wave Dark Matter candidates is velocity-dependent, and could be enhanced by several boost factors. So the Sommerfeld enhanced p-wave annihilating Dark Matter models have been investigated. The dynamics of the dark-matter-dominated dwarf spheroidal galaxies (dSphs) are studied using the Jeans equation with general models of mass density and anisotropy profiles. The particle swarm optimization (PSO) method is implemented to make a fast scan on the parameter space. The best fitting results provide an explanation on the “core-cusp” problem. The computation of the effective annihilation cross section in the dSphs shows the models allowed by the relic density does not have large boost factor of the Sommerfeld enhancement with the volocity in the dSphs. Furthermore, the isotropic \gamma-ray background (IGRB) has been studied for the case of p-wave DM as well, the \gamma-ray flux is added to the astrophysical sources to make a new fit to the FermiLAT IGRB data. Both the prompt and inverse Compton scattering (ICS) emissions have been taken into account with the Sommerfeld enhancement. Only very small regions of between 1 and 50 GeV have been ruled out. However, in the same range of Dark Matter mass, this model provides a better fit than the model without Dark Matter in several annihilation channels.

The DarkSPIDER package is an independent fortran tool, it could be extended to other Dark Matter models and experimental data.