Verschiedene astronomische Beobachtungen deuten darauf hin, dass dunkle Materie das Universum durchzieht und die Entstehung und Dynamik kosmischer Strukturen dominiert. Schwach wechselwirkende, massive Teilchen (WIMPs, von “weakly interacting massive particles”), deren Ruhemasse im GeV- bis TeVBereich liegt, sind vielversprechende Kandidaten für eine teilchenphysikalische Erklärung der dunklen Materie. Selbstvernichtungsprozesse von WIMPs können Gammastrahlung im Energiebereich oberhalb von 100 GeV erzeugen, die mit abbildenden Luftschauer-Tscherenkow-Teleskopen (IACTs, “imaging air Cherenkov telescopes”) beobachtet werden kann.
Für diese Dissertation wurden Beobachtungen von sphäroidalen Zwerggalaxien (dSph) und des Fornax-Galaxienhaufens mit den Tscherenkow-Teleskopen H.E.S.S., MAGIC und VERITAS verwendet, um nach Gammastrahlungs-Signalen dunkler Materie zu suchen. Die Arbeit hat zwei Teile: Erstens wurde eine auf Likelihood-Funktionen basierende Methode eingeführt, die zur Kombination bereits publizierter dSph-Beobachtungen der verschiedenen IACTs dient. Diese statistische Methode kann zudem die systematischen Unsicherheiten der “J -Faktoren” miteinbeziehen, welche den DM-Inhalt der Zwerggalaxien quantifizieren. Zweitens wurden H.E.S.S.-Beobachtungen des Fornax-Galaxienhaufens analysiert. In diesem Falle wurden verschiedene Modelle des DM-Halos von Fornax verwendet, um die jeweiligen J -Faktoren zu berechnen. Außerdem wurden mögliche Verstärkungen des DM-Signals durch Halo-Substrukturen betrachtet.
Weder die Beobachtungen der Zwerggalaxien noch die des Galaxienhaufens
lieferten ein signifikantes Gammastrahlungs-Signal. Deshalb wurden ihre Ergebnisse genutzt, um obere Grenzen (UL, “upper limits”) auf den thermisch gemittelten Selbstvernichtungs-Wirkungsquerschnitt ⟨σv⟩ der dunklen Materieteilchen zu bestimmen. Dabei wurden unterschiedliche Modelle für die Endzustände der Vernichtungsprozesse benutzt. Die Grenzen auf den Wirkungsquerschnitt liegen im Bereich von ⟨σv⟩UL ∼ 10-19 cm3s-1 bis ⟨σv⟩UL ∼ 10-25 cm3s-1, gültig
für DM-Teilchenmassen von 100 GeV bis 100 TeV. Einige der unterschiedlichen
Modellunsicherheiten und Abhängigkeiten, die zu diesem großen Bereich von
⟨σv⟩UL-Werten führen, wurden ebenfalls erörtert.
Many astronomical observations indicate that dark matter pervades the universe and dominates the formation and dynamics of cosmic structures. Weakly interacting massive particles (WIMPs) with masses in the GeV to TeV range form a popular class of dark matter candidates. WIMP self-annihilation may lead to the production of γ-rays in the very high energy regime above 100 GeV, which is observable with imaging air Cherenkov telescopes (IACTs).
For this thesis, observations of dwarf spheroidal galaxies (dSph) and the Fornax galaxy cluster with the Cherenkov telescope systems H.E.S.S., MAGIC and VERITAS were used to search for γ-ray signals of dark matter annihilations. The work consists of two parts: First, a likelihood-based statistical technique was introduced to combine published results of dSph observations with the different IACTs. The technique also accounts for uncertainties on the “J factors”, which quantify the dark matter content of the dwarf galaxies. Secondly, H.E.S.S. observations of the Fornax cluster were analyzed. In this case, a collection of dark matter halo models was used for the J factor computation. In addition, possible signal enhancements from halo substructures were considered.
None of the searches yielded a significant γ-ray signal. Therefore, the results were used to place upper limits on the thermally averaged dark matter self-annihilation cross-section ⟨σv⟩. Different models for the final state of the annihilation process were considered. The cross-section limits range from ⟨σv⟩UL ∼ 10-19 cm3s-1 to ⟨σv⟩UL ∼ 10-25 cm3s-1 for dark matter particles masses between 100 GeV and 100 TeV. Some of the diverse model uncertainties causing this wide range of ⟨σv⟩UL values were analyzed.