Promotionsvortrag von Stefan Fröse

Trotz ihrer unbekannten Eigenschaften wird vermutet, dass Dunkle Materie das Universum, wie wir es heute kennen, geformt hat. In den letzten Jahrzehnten sind verschiedene Theorien entstanden, von denen die meisten eine Kopplung des dunklen Sektors an das Standardmodell zulassen. Kandidaten für Dunkle Materie, wie beispielsweise Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), können zu Standardmodell-Teilchen annihilieren. Konsequent führt dies zur Produktion von Photonen, deren direkte Erzeugung sonst unterdrückt wäre. In Regionen mit hoher Dichte an Dunkler Materie, unter anderem Zwerggalaxien, wird eine erhebliche Rate an Gammastrahlen erwartet.
Diese Dissertation untersucht Gammasignale aus der Region von CBe dSph mit den MAGIC-Teleskopen sowohl in energetischer als auch in räumlicher Auflösung. Da die Teleskope ausgedehnte Luftschauer erfassen, die durch die Wechselwirkung der Gammastrahlen mit der Erdatmosphäre entstehen, wird der Hintergrund dieser Beobachtungen von einer hohen Rate an kosmischen Strahlen dominiert. Die Imperfektion der Methoden zur Trennung von Signal und Hintergrund erfordert die Konstruktion eines dreidimensionalen Hintergrundmodells für diese Analyse, was zur Entwicklung eines neuartigen Methode, der exclusion-rotation Methode, führt.
Frühere Studien basieren auf einer eindimensionalen Analyse (energetisch) von CBe dSph. Durch die Einbeziehung von zwei zusätzlichen Dimensionen in dieser Arbeit erfordert die Berechnung von Obergrenzen für den thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt der Dunkle-Materie-Modelle eine robuste und effiziente Berechnung statistischer Tests. Asimov-Datensätze werden in diesem Kontext erstmals im Rahmen einer Suche nach Dunkler Materie mit den MAGIC-Teleskopen eingeführt und angewendet. Diese Datensätze ermöglichen die Approximation der Teststatistik und erlauben erstmals die Konstruktion von Obergrenzen für den Stärkeparameter des Dunkle-Materie-Modells mit der CLs-Methode. Die Implementierung dieser neuartigen Methoden wird über das Open-Source-Python- Paket TITRATE zur Verfügung gestellt.
Es konnte kein Hinweis auf ein von Dunkler Materie induziertes Signal für Annihilationen zu bb‾, W+W-, μ+μ- und τ+τ- sowie für Dunkle- Materie-Massen mχ zwischen 0.17 TeV und 100 TeV in CBe dSph gefunden werden. Die Obergrenzen für den thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt, berechnet mit den Asimov-Datensätzen in einer und drei Dimensionen, werden mit der klassischen Konstruktion nach Wilks’ Theorem verglichen. Die dreidimensionale Asimov-CLs-Sensitivität übertrifft frühere Studien der MAGIC-Kollaboration zu CBe dSph, wenn die Ergebnisse auf die von MAGIC angenommene Dunkle-Materie-Dichte skaliert werden, mit Ausnahme der Annihilation zu CLs für mχ>30TeV.