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Search for Dark Matter with Very-High-Energy Gamma Rays with Current and Upcoming Ground-Based Observatories

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2026
Autor(a) principal: Reis, Igor
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-26022026-094834/
Resumo: Very-high-energy (VHE; E ≳ 100 GeV) gamma-ray observations provide a powerful laboratory for studying extreme astrophysical environments and physics beyond the Standard Model, with this thesis focusing on indirect dark matter searches using gamma-ray observatories through multiple particle models and detection strategies. A unified statistical framework for VHE analyses is developed, based on a two-dimensional binned likelihood and log-likelihood ratio test statistics, and is used throughout to derive median sensitivities and confidence intervals under realistic instrument response conditions. This framework is applied to dark matter–related scenarios using gamma rays from the inner Galaxy, first probing dark matter–cosmic-ray scattering and deriving sensitivity limits on the dark matter–proton cross section with H.E.S.S.-like, CTAO, LHAASO, and SWGO observations, reaching σpχ ∼ 10−33–10−34 cm2 for keV dark matter masses. A second analysis targets two sub-GeV dark matter candidates—axion-like particles and dark photons—interacting with cosmic rays, with CTAO and SWGO probing couplings down to gαγγ ∼ 0.5–1TeV−1 and kinetic mixing ∈ ∼ 0.05–0.1, extending current gamma-ray and laboratory constraints. Finally, the CTAO sensitivity to dark matter annihilation in the Galactic center is explored within Effective Field Theories and Simplified Models, showing that mediator scales up to M* ∼ 10 TeV and Mmed ∼ 3 TeV can be tested for TeV-scale WIMPs, in complementarity with collider and direct-detection limits. Altogether, these studies demonstrate how a consistent statistical framework combined with next-generation Cherenkov telescopes can address unresolved Galactic center astrophysics and probe a broad range of dark-sector phenomena, highlighting the central role of VHE gamma-ray astronomy in multi-messenger astroparticle physics.
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A unified statistical framework for VHE analyses is developed, based on a two-dimensional binned likelihood and log-likelihood ratio test statistics, and is used throughout to derive median sensitivities and confidence intervals under realistic instrument response conditions. This framework is applied to dark matter–related scenarios using gamma rays from the inner Galaxy, first probing dark matter–cosmic-ray scattering and deriving sensitivity limits on the dark matter–proton cross section with H.E.S.S.-like, CTAO, LHAASO, and SWGO observations, reaching σpχ ∼ 10−33–10−34 cm2 for keV dark matter masses. A second analysis targets two sub-GeV dark matter candidates—axion-like particles and dark photons—interacting with cosmic rays, with CTAO and SWGO probing couplings down to gαγγ ∼ 0.5–1TeV−1 and kinetic mixing ∈ ∼ 0.05–0.1, extending current gamma-ray and laboratory constraints. Finally, the CTAO sensitivity to dark matter annihilation in the Galactic center is explored within Effective Field Theories and Simplified Models, showing that mediator scales up to M* ∼ 10 TeV and Mmed ∼ 3 TeV can be tested for TeV-scale WIMPs, in complementarity with collider and direct-detection limits. Altogether, these studies demonstrate how a consistent statistical framework combined with next-generation Cherenkov telescopes can address unresolved Galactic center astrophysics and probe a broad range of dark-sector phenomena, highlighting the central role of VHE gamma-ray astronomy in multi-messenger astroparticle physics.Observações de raios gama de muito alta energia (VHE; E ≳ 100 GeV) oferecem um laboratório para explorar objetos, fenômenos e processos astrofísicos extremos, bem como possíveis extensões ao Modelo Padrão. O foco principal desta tese está na busca indireta por matéria escura por meio de observatórios de raios gama, explorando diferentes modelos de partículas e estratégias observacionais. Desenvolve-se uma estrutura estatística unificada para análises em VHE, baseada em uma função de verossimilhança bidimensional e no teste da razão de verossimilhanças, utilizada ao longo do trabalho para calcular sensibilidades medianas e intervalos de confiança sob condições instrumentais realistas. Essa estrutura é aplicada a diversos cenários relacionados à matéria escura utilizando raios gama provenientes da região central da Galáxia. O primeiro estudo impõe restrições à seção de choque de espalhamento entre matéria escura e raios cósmicos, estabelecendo limites de sensibilidade para observações dos telescópios H.E.S.S., CTAO, LHAASO e SWGO, alcançando σpχ ∼ 10−33–10−34 cm2 para massas de matéria escura na faixa do keV. Em seguida, uma segunda análise investiga dois modelos sub-GeV de matéria escura e suas interações com raios cósmicos — partículas do tipo áxion (ALPs) e fótons escuros — mostrando que CTAO e SWGO podem sondar acoplamentos até gαγγ ∼ 0.5–1TeV−1 e parâmetros de mistura cinética ∈ ∼ 0.05–0.1, estendendo limites obtidos em experimentos de laboratório e em outras observações em raios gama. Por fim, explora-se a sensibilidade do CTAO à aniquilação de matéria escura na região central da Galáxia no contexto de Teorias de Campo Efetivas e Modelos Simplificados, indicando que o observatório poderá testar escalas de mediadores até M* ∼ 10 TeV e massas de mediadores até Mmed ∼ 3 TeV para WIMPs na escala de TeV, em complementaridade com restrições de colisores e experimentos de detecção direta. Em conjunto, esses estudos demonstram como uma estrutura estatística consistente e telescópios Cherenkov de próxima geração podem investigar a astrofísica não resolvida do Centro Galáctico e explorar uma ampla gama de fenômenos do setor escuro, reforçando o papel central da astronomia de raios gama VHE na astrofísica de partículas multi-mensageira.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPViana, Aion da Escóssia MeloReis, Igor2026-02-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-26022026-094834/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2026-02-26T15:14:02Zoai:teses.usp.br:tde-26022026-094834Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212026-02-26T15:14:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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