Prospects for Galactic dark matter searches with the Cherenkov Telescope Array (CTA)

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen semi-analytischen Ansatz zur Modellierung der Dichteverteilung von DM im Galaktischen Halo. Aus den verschiedenen Substrukturmodellen wird die γ-Strahlungsintensitat, welche die Erde erreicht, berechnet. Eine Spannbreite plausibler γ-Strahlungsintensitaten aufgrund der Paarvernichtung Galaktischer DM wird vorgeschlagen, welche die Vorhersagen verschiedener fruherer Studien umfasst, und es werden die durchschnittlichen Massen, Abstande und ausgedehnten Strahlungsprofile der γ-strahlungsintensivsten DM-Verdichtungen berechnet. Schlieslich werden die DM-Modelle fur eine umfassende Berechnung der Nachweismoglichkeit Galaktischer Substrukturen mit CTA verwendet. Die instrumentelle Sensitivitat zum Nachweis der γ-strahlungsintensivsten DM-Substruktur wird fur eine mit CTA geplanten grosflachigen Himmelsdurchmusterung auserhalb der Galaktischen Ebene berechnet. Die Berechnung wird mit CTA Analyse- Software und einer Methode durchgefuhrt, welche auf einer Likelihood beruht. Eine alternative, ebenfalls Likelihood-basierte Analysemethode wird entwickelt, mit welcher DM-Substrukturen als aumliche Anisotropien im Multipolspektrum des Datensatzes einer Himmelsdurchmusterung nachgewiesen werden konnen. Die Analysen ergeben, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA und eine anschliesende Suche nach γ-Strahlung von DM-Substrukturen Wirkungsquerschnitte fur eine Paarvernichtung in der Grosenordnung von (σv) > 1 × 10−24 cm3 s−1 fur eine DM-Teilchenmasse von mχ ∼ 500 GeV auf einem Vertrauensniveau von 95% ausschliesen kann. Diese Sensitivitat ist vergleichbar mit Langzeitbeobachtungen einzelner Zwerggalaxien mit CTA. Eine modellunabhangige Analyse ergibt, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA Anisotropien im diffusen γ-Strahlungshintergrund oberhalb von 100 GeV fur relative Schwankungen von CPF > 10−2 nachweisen kann.%%%%In the current understanding of structure formation in the Universe, the Milky Way is embedded in a clumpy halo of dark matter (DM). Regions of high DM density are expected to emit enhanced γ-radiation from the DM relic annihilation. This γ-radiation can possibly be detected by γ-ray observatories on Earth, like the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). This dissertation presents a semi-analytical density modeling of the subclustered Milky Way DM halo, and the γ-ray intensity at Earth from DM annihilation in Galactic subclumps is calculated for various substructure models. It is shown that the modeling approach is able to reproduce the γ-ray intensities obtained from extensive dynamical DM simulations, and that it is consistent with the DM properties derived from optical observations of dwarf spheroidal galaxies. A systematic confidence margin of plausible γ-ray intensities from Galactic DM annihilation is estimated, encompassing a variety of previous findings. The average distances, masses, and extended emission profiles of the γ-ray-brightest DM clumps are calculated. The DM substructure models are then used to draw reliable predictions for detecting…