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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.76.2023.tde-30032023-145002
Document
Author
Full name
Juan Vítor Fagiani
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2023
Supervisor
Committee
Souza Filho, Luiz Vitor de (President)
Chinellato, Carola Dobrigkeit
Santos, Edivaldo Moura
Title in Portuguese
Busca por sinais de matéria escura no fluxo de raios gama produzido no Sol
Keywords in Portuguese
Detecção indireta
Matéria escura
Mediador de vida longa
Raios gama
Sol
Abstract in Portuguese
Atualmente, é amplamente aceito que a densidade de matéria do Universo consiste principalmente de uma componente desconhecida, denominada matéria escura (ME). A qual teve sua existência estabelecida por diversas evidências, acumuladas em pouco mais de um século. No modelo padrão da física de partículas (MP), não há candidato capaz de explicar consistentemente cada uma dessas evidências e prover suas principais características. Exigindo, assim, um novo tipo de partícula. Dentre os diversos candidatos, um dos mais bem fundamentados e populares são as WIMPs. Estas partículas podem ser buscadas em experimentos de detecção direta, indireta e em colisores. Apesar da popularidade desse candidato e de intensas buscas por estes nas últimas quatro décadas, não houve uma detecção confirmada. Impondo vínculos altamente restritivos às WIMPs, estimulando a procura por modelos alternativos. Nosso estudo, aborda a busca por ME através do Sol, onde utilizamos, um setor escuro mínimo, no qual, a ME se aniquila em um mediador desse setor, que posteriormente decai em partículas do MP. Definimos este mediador com uma vida longa o suficiente para decair fora do Sol, possibilitando a detecção de partículas do MP além dos neutrinos, como os raios-γ , os quais teriam seu fluxo extinto em um cenário padrão de aniquilação direta de ME. Por fim, obtivemos o fluxo de raios-γ esperado na Terra, necessário para estimar a sensibilidade ótima de observatórios a este cenário, e indicarmos o potencial destes imporem limites superiores à seção de choque de espalhamento WIMP-próton spin-dependente (σSD xp ), de forma complementar e independente aos experimentos de detecção direta. Nesse sentido, discutimos o potencial do SWGO de vincular esse cenário, esperado superar em pelo menos uma ordem de grandeza o observatório HAWC. Portanto, o SWGO proveria uma forma totalmente complementar, para massas altas de ME ( ~ 1TeV-100TeV), ao observatório Fermi-LAT, na busca por ME no Sol.
Title in English
Search for dark matter signals in the gamma-ray flux produced in the Sun
Keywords in English
Dark matter
Gamma rays
Indirect detection
Long-lived mediator
Sun
Abstract in English
Nowadays, it is widely accepted that the matter density of the universe consists mainly of an unknown component, called dark matter (DM). Which had its existence established by several pieces of evidence, accumulated over just a century. In the standard model of particle physics (SM), no candidate can consistently explain each of these evidences and provide its main characteristics. Thus, requiring a new type of particle. Among the various candidates, one of the most popular and well-motivated are the WIMPs. We may look for WIMPs via direct, indirect and collider searches. Despite the popularity of this candidate and intense searches for these over the past four decades, there has been no confirmed detection. Imposing highly restrictive constraints to WIMPs scenario, motivating the search for alternative models. Our study addresses the search for DM through the Sun, we consider a minimal dark sector, in which, the DM annihilates into a dark sector mediator that subsequently decays into SM particles. Furthermore, we consider that this mediator has a lifetime long enough to decay outside the Sun, making it possible to detect SM particles other than neutrinos, such as gamma rays, which would have their flux extinguished in a standard scenario of direct DM annihilation. Finally, we obtain the expected gamma-ray flux on Earth, which is necessary to estimate the optimal sensitivity of observatories to this scenario, and indicate their potential to impose upper limits to the DM-proton spin-dependent scattering cross-section (σ SD xp ), in a complementary and independent way to direct detection experiments. In this regard, we discuss the potential of the SWGO to constrain this scenario, expected to outperform by at least an order of magnitude the HAWC observatory. Therefore, SWGO would provide a fully complementary way, for high DM masses ( ~ 1TeV-100TeV), to the Fermi-LAT observatory, in the search for DM through the Sun.
 
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Publishing Date
2023-03-30
 
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