Kurzfassung
Astronomische Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen haben sich als essentiell für das Verständnis der grundlegendsten Fragen der Physik erwiesen. Eines der größten Mysterien der Natur ist die Existenz der (bisher) unbestimmten Art der Materie welche den Großteil des materiellen Universums ausmacht. Auch wenn nur wenig über deren
Natur bekannt ist, ist es sehr wahrscheinlich, dass es sich bei dieser exotischen Dunklen Materie (DM) um sogenannte Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) handelt.
In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir, welche Strategien am besten dazu geeignet sind, die Frage Was ist Dunkle Materie? anzugehen. Konkret wählen wir das WIMP-Paradigma als unser Leitprinzip und diskutieren anschließend umfassend die Phänomenologie der aussichtsreichen Szenarien der indirekten Detektion solcher WIMPs. Insbesondere werden dabei die um das Zentrum der Milchstraße herum erzeugten außerirdischen Gammastrahlen und Radiowellen betrachtet.
Angesichts der zwei kürzlich vieldiskutierten Behauptungen einer WIMP-Entdeckung, nämlich der 130-GeV-Linie und des GeV-Exzesses der Gammastrahlung, benutzen wir unsere Methoden, um diese Hypothesen zu überprüfen. Außerdem enthält unsere Untersuchung Datenanalysen der Antiteilchen der Kosmischen Strahlung (Antiprotonen und Positronen). Die Phänomenologie der indirekten DM-Detektierung mithilfe dieser 'Messenger' wird ebenfalls kurz diskutiert.
Durch die Ausnutzung des hohen Grades an Symmetrie bei typischen annihilierenden 2-WIMP-Anfangszuständen sind wir in der Lage, ein sehr mächtiges Instrument der theoretischen Teilchenphysik einzusetzen: Das verallgemeinerte optische Theorem. Dieses Theorem verknüpft die Amplitude von schleifenunterdrückten Prozessen, wie zum Beispiel der 130-GeV-Linie für den Fall, dass diese als Produkt von WIMP Annihilationen interpretiert wird, mit deren Tree-Level-Prozessen, die auf dieselbe Weise eingeschränkt sind wie es beim GeV-Exzess der Fall ist. Neuartige analytische Verfahren zur allgemeinen Berechnung von Partialwellen-(und Helizitäts-)Wirkungsquerschnitten werden durchgeführt und anschließend entsprechend angewendet.
Ferner wird die Möglichkeit untersucht, dass ein nichttrivialer Effekt im Teilchenmodell der DM ein in Form einer Linie der Gammastrahlung auftretendes Signal verstärkt. Wir konzentrieren uns dabei auf das fünfdimensionale Modell mit 'Universal Extra Dimensions'
(UED), welches einen passenden Kandidaten für die DM liefert. Wir zeigen, dass die intrinsischen resonanten Eigenschaften des Modells zu Verstärkungen in den Streuquerschnitten der Annihilation führen. Alle notwendigen Kopplungen der die KK Nummer verletzenden und in den Fixpunkten der Orbifaltigkeit lokalisierten Vertices werden ebenfalls erstmalig berechnet.
Motiviert durch die Möglichkeit einer Beschleunigung von DM-Teilchen auf beliebig große Energien durch Schwarze Löcher untersuchen wir die WIMP-Annihilation bei großen Schwerpunktenergien im UED-Kontext.
Multiwavelength astronomical observations have been proven to be of crucial relevance in understanding the most fundamental questions in physics. One of the biggest mysteries of nature is the existence of a (still) unidentified type of matter that makes up most of the material universe. Although little is known about its nature, it is very likely that this exotic Dark Matter (DM) is made of so-called Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). In this thesis we investigate which strategies can best address the fundamental question: What is Dark Matter? Specifically, by following the 'WIMP' paradigm as our guiding principle, we comprehensively discuss the phenomenology of prospective 'indirect' detection scenarios of such WIMPs. Special consideration is given to extraterrestrial gamma rays and radio waves produced around the center of the Milky Way. In light of two recently highly debated claims of WIMP Dark Matter discovery, namely the 130 GeV gamma-ray line and the GeV gamma-ray excess, we invoke our methods to confront those hypotheses. In addition our study contains antiparticle cosmic-ray (antiproton and positron) data analyses. The phenomenology for indirect DM detection with these 'messengers' is briefly discussed as well. By exploiting the high degree of symmetry of typical annihilating 2-WIMP initial states, we are able to employ a very powerful tool in theoretical particle physics: the generalized optical theorem. This theorem relates the amplitude of loop-suppressed processes, such as the 130 GeV line if interpreted as product of WIMP annihilations, with tree-level process which are constrained in the same way as with the GeV excess. Unprecedentedly reported analytical computations of partial-wave (and helicity) cross sections with general applicability are calculated and applied. The possibility that a non-trivial effect in the particle model for DM might enhance the strength of a gamma-ray line signal is also explored. We focus on the five-dimensional model with 'Universal Extra Dimensions' (UED) which offers a suitable DM candidate. We show that the intrinsic resonant properties of the model give rise to enhancements in the annihilation cross sections. All the necessary couplings of KK-number violating vertices localized in the orbifold fixed points are also computed for the first time. Motivated by the possibility that black holes can accelerate DM particles up to, in principle, arbitrarily large energies, we investigate WIMP annihilations with larger center-of-mass energies in the UED context.