Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to a dark matter signal from the Galactic centre

A. Acharyya , R. Adam (1) , C. Adams , I. Agudo , A. Aguirre-Santaella , R. Alfaro , J. Alfaro , C. Alispach , R. Aloisio , R. Alves Batista , L. Amati , G. Ambrosi , E.O. Angüner (2) , L.A. Antonelli , C. Aramo , A. Araudo , T. Armstrong (2) , F. Arqueros , K. Asano , Y. Ascasíbar , M. Ashley , C. Balazs , O. Ballester , A. Baquero Larriva , V. Barbosa Martins , M. Barkov , U. Barres de Almeida , J.A. Barrio , D. Bastieri , J. Becerra , G. Beck , J. Becker Tjus , W. Benbow , M. Benito , D. Berge , E. Bernardini , K. Bernlöhr , A. Berti , B. Bertucci , V. Beshley , B. Biasuzzi (3) , A. Biland , E. Bissaldi , J. Biteau (3) , O. Blanch , J. Blazek , F. Bocchino , C. Boisson (4) , L. Bonneau Arbeletche , P. Bordas , Z. Bosnjak , E. Bottacini , V. Bozhilov , J. Bregeon (5) , A. Brill , T. Bringmann , A.M. Brown , P. Brun (5) , F. Brun (6) , P. Bruno , A. Bulgarelli , M. Burton , A. Burtovoi , M. Buscemi , R. Cameron , M. Capasso , A. Caproni , R. Capuzzo-Dolcetta , P. Caraveo , R. Carosi , A. Carosi (7) , S. Casanova , E. Cascone , F. Cassol (2) , F. Catalani , D. Cauz , M. Cerruti , P. Chadwick , S. Chaty (8) , A. Chen , M. Chernyakova , G. Chiaro , A. Chiavassa , M. Chikawa , J. Chudoba , M. Çolak , V. Conforti , R. Coniglione , F. Conte , J.L. Contreras , J. Coronado-Blazquez , A. Costa , H. Costantini (2) , G. Cotter , P. Cristofari , A. d'Aì , F. d'Ammando , L.A. Damone , M.K. Daniel , F. Dazzi , A. de Angelis , V. de Caprio , R. de Cássia dos Anjos , E.M. de Gouveia Dal Pino , B. de Lotto , D. de Martino , E. de Oña Wilhelmi , F. de Palma , V. de Souza , C. Delgado , A.G. Delgado Giler , D. Della Volpe , D. Depaoli , T. Di Girolamo , F. Di Pierro , L. Di Venere , S. Diebold , A. Dmytriiev (4) , A. Domínguez , A. Donini , M. Doro , J. Ebr , C. Eckner , T.D.P. Edwards , T.R.N. Ekoume , D. Elsässer , C. Evoli , D. Falceta-Goncalves , E. Fedorova , S. Fegan (1) , Q. Feng , G. Ferrand , G. Ferrara , E. Fiandrini , A. Fiasson (7) , M. Filipovic , V. Fioretti , M. Fiori , L. Foffano , G. Fontaine (1) , O. Fornieri , F.J. Franco , S. Fukami , Y. Fukui , D. Gaggero , G. Galaz , V. Gammaldi , E. Garcia (7) , M. Garczarczyk , D. Gascon , A. Gent , A. Ghalumyan , F. Gianotti , M. Giarrusso , G. Giavitto , N. Giglietto , F. Giordano , A. Giuliani , J. Glicenstein (6) , R. Gnatyk , P. Goldoni (9) , M.M. González , K. Gourgouliatos , J. Granot , D. Grasso , J. Green , A. Grillo , O. Gueta , S. Gunji , A. Halim (6) , T. Hassan , M. Heller , S. Hernández Cadena , N. Hiroshima , B. Hnatyk , W. Hofmann , J. Holder , D. Horan (1) , J. Hörandel , P. Horvath , T. Hovatta , M. Hrabovsky , D. Hrupec , G. Hughes , T.B. Humensky , M. Hütten , M. Iarlori , T. Inada , S. Inoue , F. Iocco , M. Iori , M. Jamrozy , P. Janecek , W. Jin , L. Jouvin , J. Jurysek , E. Karukes , K. Katarzyński , D. Kazanas , D. Kerszberg , M.C. Kherlakian , R. Kissmann , Jürgen Knödlseder (10) , Y. Kobayashi , K. Kohri , N. Komin , H. Kubo , J. Kushida , G. Lamanna (7) , J. Lapington , P. Laporte (4) , M.A. Leigui de Oliveira , J. Lenain (11) , F. Leone , G. Leto , E. Lindfors , T. Lohse , S. Lombardi , F. Longo , A. Lopez , M. López , R. López-Coto , S. Loporchio , P.L. Luque-Escamilla , E. Mach , C. Maggio , G. Maier , M. Mallamaci , R. Malta Nunes de Almeida , D. Mandat , M. Manganaro , S. Mangano , G. Manicò , M. Marculewicz , M. Mariotti , S. Markoff , P. Marquez , J. Martí , O. Martinez , M. Martínez , G. Martínez , H. Martínez-Huerta , G. Maurin (7) , D. Mazin , J.D. Mbarubucyeye , D. Medina Miranda , M. Meyer , M. Miceli , T. Miener , M. Minev , J.M. Miranda , R. Mirzoyan , T. Mizuno , B. Mode , R. Moderski , L. Mohrmann , E. Molina , T. Montaruli , A. Moralejo , D. Morcuende-Parrilla , A. Morselli , R. Mukherjee , C. Mundell , A. Nagai , T. Nakamori , R. Nemmen , J. Niemiec , D. Nieto , M. Nikołajuk , D. Ninci , K. Noda , D. Nosek , S. Nozaki , Y. Ohira , M. Ohishi , Y. Ohtani , T. Oka , A. Okumura , R.A. Ong , M. Orienti , R. Orito , M. Orlandini , S. Orlando , E. Orlando , M. Ostrowski , I. Oya , I. Pagano , A. Pagliaro , M. Palatiello , F.R. Pantaleo , J.M. Paredes , G. Pareschi , N. Parmiggiani , B. Patricelli , L. Pavletić , A. Pe'Er , M. Pecimotika , J. Pérez-Romero , M. Persic , O. Petruk , K. Pfrang , G. Piano , P. Piatteli , E. Pietropaolo , R. Pillera , B. Pilszyk , F. Pintore , M. Pohl , V. Poireau (7) , R.R. Prado , E. Prandini , J. Prast (7) , G. Principe , H. Prokoph , M. Prouza , H. Przybilski , G. Pühlhofer , M.L. Pumo , F. Queiroz , A. Quirrenbach , S. Rainò , R. Rando , S. Razzaque , S. Recchia (9) , O. Reimer , A. Reisenegger , Y. Renier , W. Rhode , D. Ribeiro , M. Ribó , T. Richtler , J. Rico , F. Rieger , L. Rinchiuso (6) , V. Rizi , J. Rodriguez (8) , G. Rodriguez Fernandez , J.C. Rodriguez Ramirez , G. Rojas , P. Romano , G. Romeo , J. Rosado , G. Rowell , B. Rudak , F. Russo , I. Sadeh , E. Sæther Hatlen , S. Safi-Harb , F. Salesa Greus , G. Salina , D. Sanchez (7) , M. Sánchez-Conde , P. Sangiorgi , H. Sano , M. Santander , E.M. Santos , R. Santos-Lima , A. Sanuy , S. Sarkar , F.G. Saturni , U. Sawangwit , F. Schussler (6) , U. Schwanke , E. Sciacca , S. Scuderi , M. Seglar-Arroyo (6) , O. Sergijenko , M. Servillat (4) , K. Seweryn , A. Shalchi , P. Sharma (3) , R.C. Shellard , H. Siejkowski , J. Silk , C. Siqueira , V. Sliusar , A. Słowikowska , A. Sokolenko , H. Sol (4) , S. Spencer , A. Stamerra , S. Stanič , R. Starling , T. Stolarczyk (8) , U. Straumann , J. Strišković , Y. Suda , T. Suomijarvi (3) , P. Świerk , F. Tavecchio , L. Taylor , L.A. Tejedor , M. Teshima , V. Testa , L. Tibaldo (10) , C.J. Todero Peixoto , F. Tokanai , D. Tonev , G. Tosti , L. Tosti , N. Tothill , S. Truzzi , P. Travnicek , V. Vagelli , B. Vallage (6) , P. Vallania , C. van Eldik , J. Vandenbroucke , G.S. Varner , V. Vassiliev , M. Vázquez Acosta , M. Vecchi , S. Ventura , S. Vercellone , S. Vergani (4) , G. Verna (2) , A. Viana , C.F. Vigorito , J. Vink , V. Vitale , S. Vorobiov , I. Vovk , T. Vuillaume (7) , S.J. Wagner , R. Walter , J. Watson , C. Weniger , R. White , M. White , R. Wiemann , A. Wierzcholska , M. Will , D.A. Williams , R. Wischnewski , S. Yanagita , L. Yang , T. Yoshikoshi , M. Zacharias , E}$ G.Zaharijas$^{73 , A.A. Zakaria (2) , L. Zampieri , R. Zanin , D. Zaric , M. Zavrtanik , D. Zavrtanik , A.A. Zdziarski , A. Zech (4) , H. Zechlin , L. Zehrer , V.I. Zhdanov$^{76}$ And , M. Živec

1 LLR - Laboratoire Leprince-Ringuet
2 CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
3 IJCLab - Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
4 LUTH (UMR_8102) - Laboratoire Univers et Théories
5 LUPM - Laboratoire Univers et Particules de Montpellier
6 IRFU - Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers
7 LAPP - Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules
8 AIM (UMR7158 / UMR_E_9005 / UM_112) - Astrophysique Interprétation Modélisation
9 APC (UMR_7164) - AstroParticule et Cosmologie
10 IRAP - Institut de recherche en astrophysique et planétologie
11 LPNHE (UMR_7585) - Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies

We provide an updated assessment of the power of the Cherenkov Telescope Array (CTA) to search for thermally produced dark matter at the TeV scale, via the associated gamma-ray signal from pair-annihilating dark matter particles in the region around the Galactic centre. We find that CTA will open a new window of discovery potential, significantly extending the range of robustly testable models given a standard cuspy profile of the dark matter density distribution. Importantly, even for a cored profile, the projected sensitivity of CTA will be sufficient to probe various well-motivated models of thermally produced dark matter at the TeV scale. This is due to CTA's unprecedented sensitivity, angular and energy resolutions, and the planned observational strategy. The survey of the inner Galaxy will cover a much larger region than corresponding previous observational campaigns with imaging atmospheric Cherenkov telescopes. CTA will map with unprecedented precision the large-scale diffuse emission in high-energy gamma rays, constituting a background for dark matter searches for which we adopt state-of-the-art models based on current data. Throughout our analysis, we use up-to-date event reconstruction Monte Carlo tools developed by the CTA consortium, and pay special attention to quantifying the level of instrumental systematic uncertainties, as well as background template systematic errors, required to probe thermally produced dark matter at these energies.

Mots clés: track data analysis; cross section: thermal; energy: flux; cosmic background radiation; correlation; charged particle: relativistic; spatial distribution; p: cosmic radiation; noise; supersymmetry; benchmark; WIMP; MAGIC; HESS; AGN; VERITAS; gamma ray; satellite; GLAST; radiation: Cherenkov; energy resolution; Monte Carlo; imaging; scale: TeV; dark matter: density; dark matter: heavy; dark matter: annihilation; Cherenkov counter: atmosphere; Cherenkov Telescope Array; sensitivity; galaxy

Domaines: Astrophysique [astro-ph]; Physique des Hautes Energies - Phénoménologie [hep-ph]

A. Acharyya, R. Adam, C. Adams, I. Agudo, A. Aguirre-Santaella, et al.. Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to a dark matter signal from the Galactic centre. JCAP, 2021, 01, pp.057. ⟨10.1088/1475-7516/2021/01/057⟩. ⟨hal-02917236⟩