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

Les observations de rayons gamma de très haute énergie (THE; E ≳ 100 GeV) constituent un outil privilégié pour explorer les phénomènes astrophysiques extrêmes et sonder la physique au-delà du Modèle Standard. Cette thèse est consacrée à la recherche indirecte de matière noire à l’aide d’observatoires en rayons gamma, en explorant différents modèles de particules et stratégies d’observation. Un cadre statistique unifié pour l’analyse des données THE est développé, fondé sur une fonction de vraisemblance bidimensionnelle et des tests statistiques de rapport de vraisemblance, permettant de calculer les sensibilités attendues et leurs intervalles de confiance dans des conditions de réponse instrumentale réalistes. Ce cadre est appliqué à plusieurs scénarios de matière noire à partir de l’émission gamma attendue dans le centre galactique. La première étude contraint la section efficace de diffusion entre la matière noire et les rayons cosmiques, en établissant des limites de sensibilité pour les observatoires H.E.S.S., CTAO, LHAASO et SWGO de l’ordre de σᵨᵪ ~ 10⁻³³–10⁻³⁴ cm² pour des masses de matière noire dans la gamme du keV. Une deuxième analyse cible deux modèles sub-GeV de matière noire et leurs interactions avec les rayons cosmiques, à savoir les particules de type axion (ALPs) et les photons sombres. Les résultats montrent que CTAO et SWGO peuvent sonder des couplages jusqu’à gₐᵧᵧ ~ 0.5–1 TeV⁻¹ ainsi que des paramètres de mélange cinétique ε ~ 0.05–0.1, prolongeant les contraintes issues des expériences de laboratoire et d’autres observations gamma. Enfin, la sensibilité de CTAO à l’annihilation de matière noire dans le centre galactique est étudiée dans le cadre des Théories des Champs Effectives et des Modèles Simplifiés, montrant que CTAO pourra explorer des échelles de médiateurs jusqu’à M* ~ 10 TeV et des masses de médiateurs jusqu’à Mmed ~ 3 TeV pour des WIMPs à l’échelle du TeV, en complémentarité avec les contraintes des collisionneurs et des expériences de détection directe. Dans l’ensemble, ces travaux démontrent comment un cadre statistique commun et les télescopes Cherenkov de nouvelle génération permettront de sonder l’astrophysique non résolue du centre galactique et d’explorer un large éventail de phénomènes du secteur sombre, confirmant le rôle central de l’astronomie gamma THE dans la physique fondamentale multi-messagers.