Prospects for $\gamma$-ray observations of the Perseus galaxy cluster with the Cherenkov Telescope Array

K Abe; S Abe; Fabio Acero; A Acharyya; R Adam; A Aguasca-Cabot; I Agudo; A Aguirre-Santaella; J Alfaro; R Alfaro; N Alvarez-Crespo; R. Alves Batista; J.-P Amans; E Amato; E.O Angüner; L.A Antonelli; C Aramo; M Araya; C Arcaro; L Arrabito; K Asano; Y Ascasíbar; J Aschersleben; H Ashkar; L. Augusto Stuani; D Baack; M Backes; A Baktash; C Balazs; M Balbo; O Ballester; A. Baquero Larriva; V. Barbosa Martins; U. Barres de Almeida; J.A Barrio; P.I Batista; I Batkovic; R Batzofin; J Baxter; J. Becerra González; G Beck; J. Becker Tjus; W Benbow; J. Bernete Medrano; K Bernlöhr; A Berti; B Bertucci; V Beshley; P Bhattacharjee; S Bhattacharyya; B Bi; N Biederbeck; A Biland; E Bissaldi; J Biteau; O Blanch; J Blazek; C Boisson; J Bolmont; P Bordas; Z Bosnjak; E Bottacini; F Bradascio; C Braiding; E Bronzini; R Brose; A.M Brown; F Brun; G Brunetti; N Bucciantini; A Bulgarelli; I Burelli; L Burmistrov; M Burton; T Bylund; P.G Calisse; A Campoy-Ordaz; B.K Cantlay; M Capalbi; A Caproni; R Capuzzo-Dolcetta; P Caraveo; S Caroff; R Carosi; E Carquin; M.-S Carrasco; E Cascone; F Cassol; A.J Castro-Tirado; D Cerasole; M Cerruti; P Chadwick; S Chaty; A.W Chen; M Chernyakova; A Chiavassa; J Chudoba; L Chytka; A Cifuentes; C.H. Coimbra Araujo; V Conforti; F Conte; J.L Contreras; J Cortina; A Costa; H Costantini; G Cotter; P Cristofari; O Cuevas; Z Curtis-Ginsberg; G d'Amico; F d'Ammando; M Dalchenko; F Dazzi; M de Bony de Lavergne; V de Caprio; F de Frondat Laadim; E.M de Gouveia Dal Pino; B de Lotto; M de Lucia; D de Martino; R de Menezes; M de Naurois; N de Simone; V de Souza; M.V del Valle; E Delagnes; A.G. Delgado Giler; C Delgado; M Dell'Aiera; D Della Volpe; D Depaoli; T Di Girolamo; A Di Piano; F Di Pierro; R Di Tria; L Di Venere; S Diebold; A Djannati-Ataï; J Djuvsland; R.M Dominik; A Donini; D Dorner; J Dörner; M Doro; R.D.C dos Anjos; J.-L Dournaux; C Duangchan; C Dubos; D Dumora; V.V Dwarkadas; J Ebr; C Eckner; K Egberts; S Einecke; D Elsässer; G Emery; M. Escobar Godoy; J Escudero; P Esposito; S Ettori; C Evoli; D Falceta-Goncalves; V. Fallah Ramazani; A Fattorini; A Faure; E Fedorova; S Fegan; K Feijen; Q Feng; G Ferrand; F Ferrarotto; E Fiandrini; A Fiasson; M Filipovic; V Fioretti; L Foffano; L. Font Guiteras; G Fontaine; S Fröse; Y Fukazawa; Y Fukui; D Gaggero; G Galanti; S Gallozzi; V Gammaldi; M Garczarczyk; C Gasbarra; D Gasparrini; M Gaug; A Ghalumyan; F Gianotti; M Giarrusso; J Giesbrecht; N Giglietto; F Giordano; J.-F Glicenstein; H Göksu; P Goldoni; J.M González; M.M González; J. Goulart Coelho; J Granot; R Grau; L Gréaux; D Green; J.G Green; I Grenier; G Grolleron; J Grube; O Gueta; J Hackfeld; D Hadasch; P Hamal; W Hanlon; S Hara; V.M Harvey; T Hassan; L Heckmann; M Heller; S. Hernández Cadena; O Hervet; J Hie; N Hiroshima; B Hnatyk; R Hnatyk; J Hoang; D Hoffmann; W Hofmann; J Holder; D Horan; P Horvath; D Hrupec; M Hütten; M Iarlori; T Inada; F Incardona; S Inoue; F Iocco; M Iori; M Jamrozy; P Janecek; F Jankowsky; C Jarnot; P Jean; I. Jiménez Martínez; W Jin; C Juramy-Gilles; J Jurysek; M Kagaya; D Kantzas; V Karas; H Katagiri; J Kataoka; S Kaufmann; D Kerszberg; B Khélifi; R Kissmann; T Kleiner; G Kluge; W Kluźniak; J Knödlseder; Y Kobayashi; K Kohri; N Komin; P Kornecki; K Kosack; G Kowal; H Kubo; J Kushida; A La Barbera; N La Palombara; M Láinez; A Lamastra; J Lapington; P Laporte; S Lazarević; F Leitgeb; M Lemoine-Goumard; J.-P Lenain; F Leone; G Leto; F Leuschner; E Lindfors; M Linhoff; I Liodakis; S Lombardi; F Longo; R López-Coto; M López-Moya; A López-Oramas; S Loporchio; P.L Luque-Escamilla; O Macias; J Mackey; P Majumdar; D Malyshev; D Mandat; M Manganaro; G Manicò; M Mariotti; S Markoff; I Márquez; P Marquez; G Marsella; G.A Martínez; M Martínez; O Martinez; C Marty; A Mas-Aguilar; M Mastropietro; G Maurin; D Mazin; D Melkumyan; A.J.T.S Mello; J.-L Meunier; D.M.-A Meyer; M Meyer; D Miceli; M Michailidis; J Michałowski; T Miener; J.M Miranda; A Mitchell; M Mizote; T Mizuno; R Moderski; M Molero; C Molfese; E Molina; T Montaruli; D Morcuende; K Morik; G Morlino; A Morselli; E Moulin; V. Moya Zamanillo; K Munari; T Murach; A Muraczewski; H Muraishi; S Nagataki; T Nakamori; R Nemmen; N Neyroud; L Nickel; J Niemiec; D Nieto; M. Nievas Rosillo; M Nikołajuk; K Nishijima; K Noda; D Nosek; V Novotny; S Nozaki; P O'Brien; M Ohishi; Y Ohtani; A Okumura; J.-F Olive; B Olmi; R.A Ong; M Orienti; R Orito; M Orlandini; E Orlando; M Ostrowski; I Oya; A Pagliaro; M Palatiello; G Panebianco; D Paneque; F.R Pantaleo; R Paoletti; J.M Paredes; N Parmiggiani; S.R Patel; B Patricelli; D Pavlović; M Pech; M Pecimotika; U Pensec; M Peresano; J Pérez-Romero; G Peron; M Persic; P.-O Petrucci; O Petruk; G Piano; E Pierre; E Pietropaolo; F Pintore; G Pirola; S Pita; C Plard; F Podobnik; M Pohl; M Polo; E Pons; G Ponti; E Prandini; J Prast; G Principe; C Priyadarshi; N Produit; E Pueschel; G Pühlhofer; M.L Pumo; M Punch; F Queiroz; A Quirrenbach; S Rainò; R Rando; S Razzaque; S Recchia; M Regeard; P Reichherzer; A Reimer; O Reimer; A Reisenegger; W Rhode; D Ribeiro; M Ribó; T Richtler; J Rico; F Rieger; C Righi; L Riitano; V Rizi; E Roache; G. Rodriguez Fernandez; J.J Rodríguez-Vázquez; P Romano; G Romeo; J Rosado; A. Rosales de Leon; G Rowell; B Rudak; C.B Rulten; F Russo; I Sadeh; L Saha; T Saito; H Salzmann; D Sanchez; M Sánchez-Conde; P Sangiorgi; H Sano; M Santander; A Santangelo; R Santos-Lima; A Sanuy; T Šarić; A Sarkar; S Sarkar; K Satalecka; F.G Saturni; V Savchenko; A Scherer; P Schipani; B Schleicher; J.L Schubert; F Schussler; U Schwanke; G Schwefer; M. Seglar Arroyo; S Seiji; D Semikoz; O Sergijenko; M Servillat; V Sguera; R.Y Shang; P Sharma; H Siejkowski; A Sinha; C Siqueira; V Sliusar; A Slowikowska; H Sol; A Specovius; S.T Spencer; D Spiga; A Stamerra; S Stanič; T Starecki; R Starling; Ł Stawarz; C Steppa; T Stolarczyk; J Strišković; Y Suda; T Suomijärvi; H Tajima; D Tak; M Takahashi; R Takeishi; S.J Tanaka; T Tavernier; L.A Tejedor; K Terauchi; R Terrier; M Teshima; W.W Tian; L Tibaldo; O Tibolla; F Torradeflot; D.F Torres; E Torresi; G Tosti; L Tosti; N Tothill; F Toussenel; V Touzard; A Tramacere; P Travnicek; G Tripodo; S Truzzi; A Tsiahina; A Tutone; M Vacula; B Vallage; P Vallania; C van Eldik; J van Scherpenberg; J Vandenbroucke; V Vassiliev; M. Vázquez Acosta; M Vecchi; S Ventura; S Vercellone; G Verna; A Viana; N Viaux; A Vigliano; C.F Vigorito; V Vitale; V Vodeb; V Voisin; S Vorobiov; G Voutsinas; I Vovk; T Vuillaume; S.J Wagner; R Walter; M Wechakama; R White; A Wierzcholska; M Will; D.A Williams; F Wohlleben; A Wolter; T Yamamoto; R Yamazaki; T Yoshida; T Yoshikoshi; M Zacharias; G Zaharijas; D Zavrtanik; M Zavrtanik; A.A Zdziarski; A Zech; V.I Zhdanov; M Živec; J Zuriaga-Puig; P de la Torre Luque

doi:10.1088/1475-7516/2024/10/004

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$Prospects for $\gamma$-ray observations of the Perseus galaxy cluster with the Cherenkov Telescope Array$

Article de revue

Open Access

Prospects for $\gamma$-ray observations of the Perseus galaxy cluster with the Cherenkov Telescope Array

K Abe, S Abe, Fabio Acero, A Acharyya, R Adam, A Aguasca-Cabot, I Agudo, A Aguirre-Santaella, J Alfaro, R Alfaro, …

JCAP, Vol.10

2024

DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2024/10/004

Résumé

sensitivity

galaxy

cluster

history

structure

formation

spatial distribution

magnetic field

gas

power spectrum

spectral

acceleration

TeV

gamma ray

Cherenkov Telescope Array

model

particle

ratio

cross section

decay

mass

thermal

energy

halo

cosmic radiation

annihilation

dark matter

emission

Galaxy clusters are expected to be dark matter (DM) reservoirs and storage rooms for the cosmic-ray protons (CRp) that accumulate along the cluster's formation history. Accordingly, they are excellent targets to search for signals of DM annihilation and decay at gamma-ray energies and are predicted to be sources of large-scale gamma-ray emission due to hadronic interactions in the intracluster medium. We estimate the sensitivity of the Cherenkov Telescope Array (CTA) to detect diffuse gamma-ray emission from the Perseus galaxy cluster. We perform a detailed spatial and spectral modelling of the expected signal for the DM and the CRp components. For each, we compute the expected CTA sensitivity. The observing strategy of Perseus is also discussed. In the absence of a diffuse signal (non-detection), CTA should constrain the CRp to thermal energy ratio within the radius $R_{500}$ down to about $X_{500}<3\times 10^{-3}$, for a spatial CRp distribution that follows the thermal gas and a CRp spectral index $\alpha_{\rm CRp}=2.3$. Under the optimistic assumption of a pure hadronic origin of the Perseus radio mini-halo and depending on the assumed magnetic field profile, CTA should measure $\alpha_{\rm CRp}$ down to about $\Delta\alpha_{\rm CRp}\simeq 0.1$ and the CRp spatial distribution with 10% precision. Regarding DM, CTA should improve the current ground-based gamma-ray DM limits from clusters observations on the velocity-averaged annihilation cross-section by a factor of up to $\sim 5$, depending on the modelling of DM halo substructure. In the case of decay of DM particles, CTA will explore a new region of the parameter space, reaching models with $\tau_{\chi}>10^{27}$s for DM masses above 1 TeV. These constraints will provide unprecedented sensitivity to the physics of both CRp acceleration and transport at cluster scale and to TeV DM particle models, especially in the decay scenario.

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Titre: Prospects for $\gamma$-ray observations of the Perseus galaxy cluster with the Cherenkov Telescope Array
Créateurs - sans rôle: K Abe
S Abe
Fabio Acero - CEA Paris-Saclay
A Acharyya
R Adam - Lagrange Laboratory
A Aguasca-Cabot
I Agudo
A Aguirre-Santaella
J Alfaro
R Alfaro
N Alvarez-Crespo
R. Alves Batista
J.-P Amans - Galaxies, Etoiles, Physique et Instrumentation
E Amato
E.O Angüner
L.A Antonelli
C Aramo
M Araya
C Arcaro
L Arrabito - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
K Asano
Y Ascasíbar
J Aschersleben
H Ashkar - Laboratoire Leprince-Ringuet
L. Augusto Stuani
D Baack
M Backes
A Baktash
C Balazs
M Balbo
O Ballester
A. Baquero Larriva
V. Barbosa Martins
U. Barres de Almeida
J.A Barrio
P.I Batista
I Batkovic
R Batzofin
J Baxter
J. Becerra González
G Beck
J. Becker Tjus
W Benbow
J. Bernete Medrano
K Bernlöhr
A Berti
B Bertucci
V Beshley
P Bhattacharjee - Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules
S Bhattacharyya
B Bi
N Biederbeck
A Biland
E Bissaldi
J Biteau - Institut Universitaire de France
O Blanch
J Blazek
C Boisson - Galaxies, Etoiles, Physique et Instrumentation
J Bolmont - Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies
P Bordas
Z Bosnjak
E Bottacini
F Bradascio - Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers
C Braiding
E Bronzini
R Brose
A.M Brown
F Brun - CEA Paris-Saclay
G Brunetti
N Bucciantini
A Bulgarelli
I Burelli
L Burmistrov
M Burton
T Bylund - CEA Paris-Saclay
P.G Calisse
A Campoy-Ordaz
B.K Cantlay
M Capalbi
A Caproni
R Capuzzo-Dolcetta
P Caraveo
S Caroff - Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules
R Carosi
E Carquin
M.-S Carrasco - Centre de physique des particules de Marseille
E Cascone
F Cassol - Centre de physique des particules de Marseille
A.J Castro-Tirado
D Cerasole
M Cerruti - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
P Chadwick
S Chaty - Laboratoire AstroParticule et Cosmologie
A.W Chen
M Chernyakova
A Chiavassa
J Chudoba
L Chytka
A Cifuentes
C.H. Coimbra Araujo
V Conforti
F Conte
J.L Contreras
J Cortina
A Costa
H Costantini - Centre de physique des particules de Marseille
G Cotter
P Cristofari - Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation
O Cuevas
Z Curtis-Ginsberg
G d'Amico
F d'Ammando
M Dalchenko
F Dazzi
M de Bony de Lavergne - Astrophysique Interprétation Modélisation
V de Caprio
F de Frondat Laadim - Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation
E.M de Gouveia Dal Pino
B de Lotto
M de Lucia
D de Martino
R de Menezes
M de Naurois - Laboratoire Leprince-Ringuet
N de Simone
V de Souza
M.V del Valle
E Delagnes - Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers
A.G. Delgado Giler
C Delgado
M Dell'Aiera - Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules
D Della Volpe
D Depaoli
T Di Girolamo
A Di Piano
F Di Pierro
R Di Tria
L Di Venere
S Diebold
A Djannati-Ataï - AstroParticule et Cosmologie
J Djuvsland
R.M Dominik
A Donini
D Dorner
J Dörner
M Doro
R.D.C dos Anjos
J.-L Dournaux - Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation
C Duangchan
C Dubos - Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
D Dumora - Laboratoire de Physique des deux infinis Bordeaux
V.V Dwarkadas
J Ebr
C Eckner - Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique
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S Einecke
D Elsässer
G Emery - Centre de physique des particules de Marseille
M. Escobar Godoy
J Escudero
P Esposito
S Ettori
C Evoli
D Falceta-Goncalves
V. Fallah Ramazani
A Fattorini
A Faure - Université de Montpellier, Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
E Fedorova
S Fegan - Laboratoire Leprince-Ringuet
K Feijen - AstroParticule et Cosmologie
Q Feng
G Ferrand
F Ferrarotto
E Fiandrini
A Fiasson - Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules
M Filipovic
V Fioretti
L Foffano
L. Font Guiteras
G Fontaine - Laboratoire Leprince-Ringuet
S Fröse
Y Fukazawa
Y Fukui
D Gaggero
G Galanti
S Gallozzi
V Gammaldi
M Garczarczyk
C Gasbarra
D Gasparrini
M Gaug
A Ghalumyan
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M Giarrusso
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N Giglietto
F Giordano
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H Göksu
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M.M González
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I Grenier - Astrophysique Interprétation Modélisation
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O Gueta
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D Hadasch
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R Hnatyk
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R Yamazaki
T Yoshida
T Yoshikoshi
M Zacharias
G Zaharijas
D Zavrtanik
M Zavrtanik
A.A Zdziarski
A Zech - Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation
V.I Zhdanov
M Živec
J Zuriaga-Puig
P de la Torre Luque
Détails de publication: JCAP, Vol.10
Identifiants: 99153128509311
Unité académique: Laboratoire Univers et Particules de Montpellier - LUPM
Langue: English
Type de ressource: Journal article
Champs locaux: hal-04212511