Not-so-Dark Matter: strategies for indirect detection and identification of Dark Matter

The existence of Dark Matter (DM) is supported by multiple evidences, achieved by means of very different experimental strategies. Its energy density today has been measured to account for almost a quarter of the total energy density in the Universe. DM is mainly sensible to gravity and it interacts only weakly through nuclear and electromagnetic interactions. Under the assumption that a DM particle is its own anti-particle, annihilation products can be searched for in order to obtain informations about DM distribution and, more generally, to infer some of its properties. This is the idea beyond DM indirect detection. In this Ph.D. thesis I will focus only on DM annihilation into gamma-rays and discuss the possibility of obtaining clear DM signatures from the analysis of gamma-rays signals. Being the annihilation flux proportional to the DM density squared, natural targets for indirect searches are the Galactic Center (due to its vicinity and its large amount of DM) and the near dwarf spheroidal galaxies (due to their large mass-to-light ratio). Experimental data from both these classes of sources have not found any clear DM signal, being able only to provide upper limits on the annihilation flux. I will present here two alternative strategies for which DM signatures may be detected and a signal from annihilation may be disentagled from the gamma-ray background. In the first case I will focus on the effect that Black Holes (BHs) can have on the distribution of DM producing overdensities. The most efficent mechanism is the adiabatic contraction around SuperMassive Black Holes, able to create large enhancements called spikes. However, the scenario of mini-spikes around Intermediate Mass Black Holes is more realistic and I will present prospects of detecting DM from mini-spikes in our Galaxy and in the Andromeda Galaxy. I will move then to the analysis of the angular power spectrum of anistropies in the gamma-ray emission. After that the galactic foreground (due to cosmic rays interacting with the Galactic interstellar medium) is subtructed from a map of the gamma-ray sky, a residual isotropic background remains, called Extra-galactic Cosmic Gamma-ray Background (EGB) and measured by EGRET. The Fermi LAT satellite will soon provide a more precise measurement of the EGB and I will present here predictions showing that the DM can contribution to the EGB flux and that its presence can be detected in the analysis of the angular power spectrum of the EGB. Both Galactic and extra-galactic DM substructures are taken into account, the first dominating the angular spectrum at low multipoles. This thesis is based on the projects I have been involved in during my Ph.D. and I will mainly present results already discussed in those papers where I am among the authors.

L'esistenza della Materia Oscura (MO) e' sostenuta da molteplici evidenze, ottenute con l'utilizzo di tecniche sperimentali diversificate e complementari. La densita' energetica della MO risulta spiegare quasi un quarto della densita' di energia dell'intero Universo. Essa risente prevalentemente della gravita' interagendo solo debolmente tramite interazioni nucleari ed elettromagnetiche. Seguendo l'ipotesi che la particella di MO sia anche la sua stessa anti-particella, una strategia per ottenere informazioni su come e' distribuita la MO e, piu' in generale per dedurre alcune delle sue proprieta', e' quella di cercare i suoi prodotti di annichilazione. E' questa l'idea che sta alla base della rivelazione indiretta di MO. Nella presente tesi di dottorato mi limitero' all'annichilazione della MO in raggi gamma e verranno discusse le previsioni per ottenere una chiara segnatura della presenza della MO dall'analisi dei segnali gamma. Essendo il flusso di annichilazione proporzionale alla densita' di MO al quadrato, gli obiettivi principali della rivelazione indiretta sono il Centro Galattico (a causa della sua vicinanza e della grande quantita' di MO stimata) e le galassie sferoidali nane presenti all'interno della Via Lattea (a causa del loro alto rapporto massa su luce). Gli dati sperimentali attuali provenienti da queste due classi di oggetti, non sono stati in grado di rivelare un chiaro segnale della presenza della MO, ma solamente di fornire dei limiti superiori al flusso di annichilazione. Presentero' in questa tesi due strategie alternative in grado di identificare delle segnature piuttosto chiare della presenza della MO attraverso le quali sara' possibile distinguere il segnale di annichilazione dal fondo gamma. Nel primo caso mi focalizzero' sull'effetto che i buchi neri possono avere sulla distribuzione di MO portando alla formazione di sovra-densita'. Il meccanismo piu' efficente e' quello della contrazione adiabatica attorno ai Buchi Neri SuperMassici, capace di produrre grandi innalzamenti nella densita' di MO chiamate cuspidi. D'altro canto, lo scenario piu' plausibile e' quello delle mini-cuspidi attorno ai Buchi Neri di Massa Intermedia e verranno presentate previsioni per la rivelazione della MO nelle mini-cuspidi della Via Lattea e della galassia di Andromeda. Mi focalizzero poi sulla seconda alternativa, lo studio dello spettro angolare di potenza per le anisotropie nell'emissione gamma. Dopo che il contributo Galattico (dovuto all'interazione dei raggi cosmici con il mezzo interstellare Galattico) e' stato sottratto dai dati di EGRET, un fondo isotropo residuo rimane, chiamato Fondo Extra-galattico Gamma (FEG). Il satellite Fermi LAT fornira' nell'immediato futuro una nuova stima del FEG ed io mostero', negli ultimi capitoli, come la MO possa contribuire al flusso del FEG e come la sua presenza possa essere rivelata nell'analisi del spettro angolare del FEG. Verranno considerate allo stesso tempo sottostrutture Galattiche ed extra-galattiche, dove le prime constituiscono la componente principale dello spettro angolare a bassi multipoli. Questa tesi e' basata sui progetti nei quali sono stato coinvolti durante il mio dottorato e presentero' risultati gia' discussi in quei lavori per i quali figuro tra gli autori.