Nous avons vu dans la figure 11.4 que le signal et le bruit de fond ont des comportements différents tant aux niveaux spectral que spatial. Le signal d’annihilation de la matière noire présente une coupure en énergie àmDMalors que le bruit de fond résiduel non, ce qui augment le pouvoir de discrimination. Le profil de matière noire (qui décroit avec la distance au centre) permet au taux d’évènement provenant du signal de matière noire d’avoir une distribution spatiale différente (partie droite de la figure 11.4) qui passe par un maximum, à cause de l’augmentation de la taille de la région d’intégration, avant de diminuer. Le bruit de fond résiduel a lui une distribution isotrope et va donc augmenter proportionnellement à la taille de la région d’intégration. Pour calculer la sensibilité de CTA à l’annihilation de matière noire dans le centre Galactique nous avons utilisé le test statistiques basé sur le maximum de vraisemblance décrit dans le chapitre 8 et l’équation (8.14) pour y implémenter l’impact des erreurs systématiques.
On calcul ensuite le rapport des likelihoods qui suit une distribution de 2 avec un degré de liberté. Les valeurs de TS supérieur à 2.71 sont exclues et les sensibilités sont calculées pour 95% C.L.. Nous ferons par la suite plusieurs considérations :
• Les régions OFF peuvent être observer simultanément avec les régions ON.
• La régions OFF est 5 fois plus grandes que la régions ON.
• Les temps d’observations considérés sont de 100h et 500h.
• Les erreurs systématiques peuvent varier entre 0,3 et 3%.
Nous allons maintenant détailler les résultats obtenus pour la sensibilité de CTA sur l’anni-hilation de matière noire à 95% C.L. . La sensibilité est calculée sur une fenêtre en masse allant de 30 GeV à 80 TeV pour les canaux d’annihilation suivant ¯!e+e , µ+µ ,⌧+⌧ , b¯b, tt¯and W+W . Nous avons pris en compte l’émission par ICS dese+e produit par l’annihilation de matière noire sur les photons de milieu ambiant et nous avons vu que cela se révélait
particu-11.4 Calcul de la sensibilité
Five RoIs, Einasto profile, 500 h
s-1
Figure11.5: Nous présentons ici les résultat sur la sensibilité de CTA pour 95% C.L. à l’annihilation de matière noire dans le plan (mDM,h vi). Sauf si cela est mentionné tout les graphiques utilisent les 5RoIi, une exposition de 500 heures, un seuil de 30 GeV et ne prennent en compte que les erreurs statistiques.Á gauche: Amélioration de la sensibilité de CTA pour le canalDM DM !b¯b grâce à l’augmentation du nombre de cellules spatiales (2,3,5 et 8). On peux directement les comparer avec les résultat obtenu dans le cas ou seul les cellules en énergie sont utilisé dans l’analyses pour les régions 1 (ligne noire) et 2 (ligne noire en pointillée) seule. Au centre : Dégradation de la sensibilité de CTA pour le canal DM DM ! b¯b causée par de possibles erreurs systématiques. Des temps d’observation de 100 heures (ligne noire) et 500 heures (ligne rouge) sont considérés avec des erreurs systématiques prenant les valeurs 0,3%, 1% et 3%. Á droite : Impact du GDE sur la sensibilité de CTA lorsqu’il est ajouté en plus du bruit de fond résiduel (ligne pointillées) pour les canauxDM DM !b¯b(ligne noire), etDM DM !e+e (ligne rouge). Les lignes pleines correspondent aux sensibilités sans l’ajout du GDE.
lièrement efficace pour les canauxe+e etµ+µ (voir figure 11.2). L’émission ICS des canaux leptoniques apporte une contribution importante du flux attendu à l’intérieur de la fenêtre en énergie de CTA, ce qui à pour effet d’améliorer la sensibilité de façon importante.
Les incertitudes systématiques peuvent être importantes car le GC est une région très complexe (voir chapitre 4), comme nous le montrons dans la figure 11.5 en bas à gauche.
En utilisant notre analyses à 2 dimensions pour 100 heures (ligne noire) et 500 heures (ligne rouge) nous avons introduit différents niveaux de systématiques : 0,3%, 1% et 3%. Lorsque les limites tenant compte des incertitudes systématiques sont comparées à celles calculées pour des fluctuations statistiques seules, il est évident que la sensibilité s’en trouve détériorée de manière significative. En particulier introduire une valeur de 0.3% de systématiques pour 100 heures d’observations dégrade les limites de 50%. Pour minimiser l’apparition d’effets systématique des stratégies de pointés sont développées pour une obtenir un exposition homogène dans la RoI.
Nous avons effectué ici un traitement de systématiques supposées non corrélées, la sensibilité obtenue reste donc conservative.
Dans la figure 11.5 en bas à droite nous montrons l’impact qu’a l’ajout du GDE (ligne pointillée) dans le bruit de fond pour 500h d’observation pour les canaux ¯ ! b¯b (ligne noire), et ¯!e+e (ligne rouge). Les limites sans GDE sont tracées en trait plein. L’ajout du GDE déteriore d’un facteur ⇠2 les limites au maximum de la sensibilité. Néanmoins nous
11. Sensibilité de CTA vers le centre Galactique
Five RoIs, Einasto profile, 500 h
s-1 Fermi dSph (15 dSphs, 5 yrs) Fermi dSph projected (3x dSphs, 10 yrs)
, Stat. only
Figure 11.6: Sauf si spécifié, nous montrons ici les limites les plus optimistes dans le plan (mDM, h vi) où on ne prend en compte ni les incertitudes systématique ni l’impact du GDE. À gauche : Sensibilité de CTA pour les canaux d’annihilations, DM DM ! b¯b en noire, t¯t en bleu, W+W en jaune, ⌧+⌧ en vert, µ+µ en rouge et e+e en ligne noire pointillé. La valeur de la section efficace thermique de référence est aussi tracée (ligne noire en long pointillée). La sensibilité est calculée pour une exposition uniforme de 500 heures sur les 5 régions utilisées pour l’analyse en assumant un rapport de branchement de 100% dans tous les canaux.À droite: La sensibilité de CTA dans le canalDM DM !b¯b (ligne noire) comparée aux autres limites les plus contraignantes à ce jour. En particulier, on peut voir les limites de H.E.S.S. pour 112 heures d’observation du centre Galactique (ligne rouge) et les limites de FERMI provenant de l’observation de 15 dSph pendant 5 ans (ligne bleue). Un projection des limites de FERMI pour 10 ans d’observation sur 45 dSph est montré par une ligne bleue pointillée. Enfin nous montrons aussi la sensibilité de CTA en prenant en compte 0.3% d’erreurs systématiques (lignes noires pointillées).
avons considéré un GDE isotrope égal à celui mesuré dans la RoI1 et extrapolé au delà de 500 GeV. C’est une appromimation qui à pour effet de surestimer le GDE dans les différentes cellules spatiale et spectrale. Les limites obtenues ici sont donc conservatrices. Pour s’affranchir du GDE une technique consisterait à faire une coupure en énergie typiquement entre 100 et 500 GeV pour limité la pollution du GDE sans perdre trop de signal provenant de l’IC. Des optimisations en fonction du rapport signal sur bruit sont envisagées pour optimiser le seuil en énergie de l’analyse.
Dans la figure 11.6, sauf si cela est précisé nous montrons les limites dans le plan (mDM, h vi) sans prendre en compte ni les systématiques ni le GDE et pour un temps d’observation de 500 heures. Dans la partie à gauche de la figure 11.6 nous montrons la sensibilité de CTA pour l’annihilation de matière noire dans différents canaux (DMDM!e+e , µ+µ ,⌧+⌧ , b¯b, tt¯et W+W ). Pour les canaux leptoniques les limites pouvant être atteintes par CTA sont bien en dessous de la valeur de section efficace thermique, et particulièrement dans le canal e+e ou la sensibilité descend jusqu’àh vi ⇡5⇥10 27 cm2s 1 pour une particule de matière noire de