Emissione Radio dal Bullet Cluster

In this thesis we study the Bullet Cluster radio emission to find a Dark Matter annihilation signal. First we describe the Dark Matter problem and the experimental evidences. We discuss the different theories about DM nature and therefore possible candidates. In this thesis we focus on WIMPs particles, we describe their property and detection methods. We focus on indirect detection. Annihilation of Dark Matter produces an amounts of electrons and positrons. The electrons/positrons gyrating in the cluster magnetic field then produce secondary synchrotron radiation. We describe in detail the processes producing the DM radio signal both in the case of electrons/positrons production from decay of standard particles produced by DM annihilation. These processes include a computation of electrons and positrons spectrum, a computation of the relative production rate from DM annihilation and the computation of diffusion and energy loss processes. Radio emission is due to synchrotron process. The observed region is the Bullet Cluster. We give a description of cluster's structure and implications on DM. We focus on the radio emission to explain the spectral index change at 2.3 GHz and 5 GHz. The hypothesis is that the radio emission could be due to the contribute of both DM and Baryonic Matter. To this purpose, we calculate the radio emission from DM annihilation. The results show that both DM contribute and astrophysical contribute are needed to explain the observed radio emission. We determine the DM contribute on Bullet Cluster radio emission and, as a consequence, we estimate DM mass and annihilation cross section values. Finally, we use our results to derive constraints on DM parameters.

In questa tesi è stato affrontato il problema relativo all'emissione radio del Bullet Cluster, la quale sembra essere dovuta alla somma di diverse sorgenti. L'ipotesi di partenza è che una di queste sorgenti possa essere la Materia Oscura, per questo motivo nella prima parte della tesi sono stati descritti gli aspetti fenomenologici della Materia Oscura. La natura della Materia Oscura non è ancora chiara, tuttavia, ci sono diverse ipotesi sui possibili candidati. L'ipotesi più accreditata è che la materia Oscura sia costituita da particelle debolmente interagenti e neutre, note come WIMP. In questa tesi sono state elencate le caratteristiche principali, i metodi di rivelazione e la relativa abbondanza fossile, da cui si ricava che il valore della sezione d'urto di annichilazione deve essere di circa 3 · 10 ^-26 cm 3 s^-1. Nella seconda parte di questa tesi è stato descritto il caso studio, ovvero il Bullet Cluster. Come prima cosa è stato spiegato il motivo per cui questo ammasso di galassie rappresenta un'importante evidenza sperimentale dell'esistenza di Materia Oscura, ne sono state descritte le caratteristiche morfologiche, in particolare la presenza di due picchi di densità di Materia Oscura, e infine è stata presa in esame l'emissione radio. Tale emissione presenta un'anomalia. In particolare il flusso osservato mostra due variazioni di pendenza, che fanno pensare che tale flusso sia originato dalla somma di diverse emissioni radio. Nella terza parte, dopo aver calcolato il segnale radio dovuto ad elettroni e positroni prodotti dai decadimenti di particelle derivanti dall'annichilazione di Materia Oscura, è stato analizzato il flusso del Bullet Cluster. Nello specifico sono state effettuate diverse simulazioni per le diverse combinazioni possibili. In particolare i risultati del best fit mostrano due possibili valori per la massa delle particelle di Materia Oscura, uno dell'ordine delle decine di GeV e il secondo dell'ordine di qualche TeV. Dai risultati ottenuti è stato inoltre possibile ricavare dei limiti sulle grandezze caratteristiche della Materia Oscura, ovvero la sezione d'urto di annichilazione e la massa. I limiti ottenuti per la sezione d'urto di annichilazione sono meno forti rispetto a quelli che si ottengono dagli studi dell'emissione gamma delle galassie satellite della Via Lattea. Un valore così alto della sezione d'urto d'annichilazione, in particolare per valori della massa dell'ordine di qualche TeV, potrebbe dipendere da alcuni fenomeni come il Sommerfeld enhancement.