Back to Search Start Over

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

Authors :
Consortium, The Cherenkov Telescope Array
Abe, K.
Abe, S.
Acero, F.
Acharyya, A.
Adam, R.
Aguasca-Cabot, A.
Agudo, I.
Aguirre-Santaella, A.
Alfaro, J.
Alfaro, R.
Alvarez-Crespo, N.
Batista, R. Alves
Amans, J. -P.
Amato, E.
Angüner, E. O.
Antonelli, L. A.
Aramo, C.
Araya, M.
Arcaro, C.
Arrabito, L.
Asano, K.
Ascasíbar, Y.
Aschersleben, J.
Ashkar, H.
Stuani, L. Augusto
Baack, D.
Backes, M.
Baktash, A.
Balazs, C.
Balbo, M.
Ballester, O.
Larriva, A. Baquero
Martins, V. Barbosa
de Almeida, U. Barres
Barrio, J. A.
Batista, P. I.
Batkovic, I.
Batzofin, R.
Baxter, J.
González, J. Becerra
Beck, G.
Tjus, J. Becker
Benbow, W.
Medrano, J. Bernete
Bernlöhr, K.
Berti, A.
Bertucci, B.
Beshley, V.
Bhattacharjee, P.
Bhattacharyya, S.
Bi, B.
Biederbeck, N.
Biland, A.
Bissaldi, E.
Biteau, J.
Blanch, O.
Blazek, J.
Boisson, C.
Bolmont, J.
Bordas, P.
Bosnjak, Z.
Bottacini, E.
Bradascio, F.
Braiding, C.
Bronzini, E.
Brose, R.
Brown, A. M.
Brun, F.
Brunetti, G.
Bucciantini, N.
Bulgarelli, A.
Burelli, I.
Burmistrov, L.
Burton, M.
Bylund, T.
Calisse, P. G.
Campoy-Ordaz, A.
Cantlay, B. K.
Capalbi, M.
Caproni, A.
Capuzzo-Dolcetta, R.
Caraveo, P.
Caroff, S.
Carosi, R.
Carquin, E.
Carrasco, M. -S.
Cascone, E.
Cassol, F.
Castro-Tirado, A. J.
Cerasole, D.
Cerruti, M.
Chadwick, P.
Chaty, S.
Chen, A. W.
Chernyakova, M.
Chiavassa, A.
Chudoba, J.
Chytka, L.
Cifuentes, A.
Araujo, C. H. Coimbra
Conforti, V.
Conte, F.
Contreras, J. L.
Cortina, J.
Costa, A.
Costantini, H.
Cotter, G.
Cristofari, P.
Cuevas, O.
Curtis-Ginsberg, Z.
D'Amico, G.
D'Ammando, F.
Dalchenko, M.
Dazzi, F.
de Lavergne, M. de Bony
De Caprio, V.
Laadim, F. De Frondat
Pino, E. M. de Gouveia Dal
De Lotto, B.
De Lucia, M.
De Martino, D.
de Menezes, R.
de Naurois, M.
De Simone, N.
de Souza, V.
del Valle, M. V.
Delagnes, E.
Giler, A. G. Delgado
Delgado, C.
Dell'aiera, M.
della Volpe, D.
Depaoli, D.
Di Girolamo, T.
Di Piano, A.
Di Pierro, F.
Di Tria, R.
Di Venere, L.
Diebold, S.
Djannati-Ataï, A.
Djuvsland, J.
Dominik, R. M.
Donini, A.
Dorner, D.
Dörner, J.
Doro, M.
Anjos, R. D. C. dos
Dournaux, J. -L.
Duangchan, C.
Dubos, C.
Dumora, D.
Dwarkadas, V. V.
Ebr, J.
Eckner, C.
Egberts, K.
Einecke, S.
Elsässer, D.
Emery, G.
Godoy, M. Escobar
Escudero, J.
Esposito, P.
Ettori, S.
Evoli, C.
Falceta-Goncalves, D.
Ramazani, V. Fallah
Fattorini, A.
Faure, A.
Fedorova, E.
Fegan, S.
Feijen, K.
Feng, Q.
Ferrand, G.
Ferrarotto, F.
Fiandrini, E.
Fiasson, A.
Filipovic, M.
Fioretti, V.
Foffano, L.
Guiteras, L. Font
Fontaine, G.
Fröse, S.
Fukazawa, Y.
Fukui, Y.
Gaggero, D.
Galanti, G.
Gallozzi, S.
Gammaldi, V.
Garczarczyk, M.
Gasbarra, C.
Gasparrini, D.
Gaug, M.
Ghalumyan, A.
Gianotti, F.
Giarrusso, M.
Giesbrecht, J.
Giglietto, N.
Giordano, F.
Glicenstein, J. -F.
Göksu, H.
Goldoni, P.
González, J. M.
González, M. M.
Coelho, J. Goulart
Granot, J.
Grau, R.
Gréaux, L.
Green, D.
Green, J. G.
Grenier, I.
Grolleron, G.
Grube, J.
Gueta, O.
Hackfeld, J.
Hadasch, D.
Hamal, P.
Hanlon, W.
Hara, S.
Harvey, V. M.
Hassan, T.
Heckmann, L.
Heller, M.
Cadena, S. Hernández
Hervet, O.
Hie, J.
Hiroshima, N.
Hnatyk, B.
Hnatyk, R.
Hoang, J.
Hoffmann, D.
Hofmann, W.
Holder, J.
Horan, D.
Horvath, P.
Hrupec122, D.
Hütten, M.
Iarlori, M.
Inada, T.
Incardona, F.
Inoue, S.
Iocco, F.
Iori, M.
Jamrozy, M.
Janecek, P.
Jankowsky, F.
Jarnot, C.
Jean, P.
Martínez, I. Jiménez
Jin, W.
Juramy-Gilles, C.
Jurysek, J.
Kagaya, M.
Kantzas, D.
Karas, V.
Katagiri, H.
Kataoka, J.
Kaufmann, S.
Kerszberg, D.
Khélifi, B.
Kissmann, R.
Kleiner, T.
Kluge, G.
Kluźniak, W.
Knödlseder, J.
Kobayashi, Y.
Kohri, K.
Komin, N.
Kornecki, P.
Kosack, K.
Kowal, G.
Kubo, H.
Kushida, J.
La Barbera, A.
La Palombara, N.
Láinez, M.
Lamastra, A.
Lapington, J.
Laporte, P.
Lazarević, S.
Leitgeb, F.
Lemoine-Goumard, M.
Lenain, J. -P.
Leone, F.
Leto, G.
Leuschner, F.
Lindfors, E.
Linhoff, M.
Liodakis, I.
Lombardi, S.
Longo, F.
López-Coto, R.
López-Moya, M.
López-Oramas, A.
Loporchio, S.
Luque-Escamilla, P. L.
Macias, O.
Mackey, J.
Majumdar, P.
Malyshev, D.
Mandat, D.
Manganaro, M.
Manicò, G.
Mariotti, M.
Markoff, S.
Márquez, I.
Marquez, P.
Marsella, G.
Martínez, G. A.
Martínez, M.
Martinez, O.
Marty, C.
Mas-Aguilar, A.
Mastropietro, M.
Maurin, G.
Mazin, D.
Melkumyan, D.
Mello, A. J. T. S.
Meunier, J. -L.
Meyer, D. M. -A.
Meyer, M.
Miceli, D.
Michailidis, M.
Michałowski, J.
Miener, T.
Miranda, J. M.
Mitchell, A.
Mizote, M.
Mizuno, T.
Moderski, R.
Molero, M.
Molfese, C.
Molina, E.
Montaruli, T.
Morcuende, D.
Morik, K.
Morlino, G.
Morselli, A.
Moulin, E.
Zamanillo, V. Moya
Munari, K.
Murach, T.
Muraczewski, A.
Muraishi, H.
Nagataki, S.
Nakamori, T.
Nemmen, R.
Neyroud, N.
Nickel, L.
Niemiec, J.
Nieto, D.
Rosillo, M. Nievas
Nikołajuk, M.
Nishijima, K.
Noda, K.
Nosek, D.
Novotny, V.
Nozaki, S.
O'Brien, P.
Ohishi, M.
Ohtani, Y.
Okumura, A.
Olive, J. -F.
Olmi, B.
Ong, R. A.
Orienti, M.
Orito, R.
Orlandini, M.
Orlando, E.
Ostrowski, M.
Oya, I.
Pagliaro, A.
Palatiello, M.
Panebianco, G.
Paneque, D.
Pantaleo, F. R.
Paoletti, R.
Paredes, J. M.
Parmiggiani, N.
Patel, S. R.
Patricelli, B.
Pavlović, D.
Pech, M.
Pecimotika, M.
Pensec, U.
Peresano, M.
Pérez-Romero, J.
Peron, G.
Persic, M.
Petrucci, P. -O.
Petruk, O.
Piano, G.
Pierre, E.
Pietropaolo, E.
Pintore, F.
Pirola, G.
Pita, S.
Plard, C.
Podobnik, F.
Pohl, M.
Polo, M.
Pons, E.
Ponti, G.
Prandini, E.
Prast, J.
Principe, G.
Priyadarshi, C.
Produit, N.
Pueschel, E.
Pühlhofer, G.
Pumo, M. L.
Punch, M.
Queiroz, F.
Quirrenbach, A.
Rainò, S.
Rando, R.
Razzaque, S.
Recchia, S.
Regeard, M.
Reichherzer, P.
Reimer, A.
Reimer, O.
Reisenegger, A.
Rhode, W.
Ribeiro, D.
Ribó, M.
Richtler, T.
Rico, J.
Rieger, F.
Righi, C.
Riitano, L.
Rizi, V.
Roache, E.
Fernandez, G. Rodriguez
Rodríguez-Vázquez, J. J.
Romano, P.
Romeo, G.
Rosado, J.
de Leon, A. Rosales
Rowell, G.
Rudak, B.
Rulten, C. B.
Russo, F.
Sadeh, I.
Saha, L.
Saito, T.
Salzmann, H.
Sanchez, D.
Sánchez-Conde, M.
Sangiorgi, P.
Sano, H.
Santander, M.
Santangelo, A.
Santos-Lima, R.
Sanuy, A.
Šarić, T.
Sarkar, A.
Sarkar, S.
Satalecka, K.
Saturni, F. G.
Savchenko, V.
Scherer, A.
Schipani, P.
Schleicher, B.
Schubert, J. L.
Schussler, F.
Schwanke, U.
Schwefer, G.
Arroyo, M. Seglar
Seiji, S.
Semikoz, D.
Sergijenko, O.
Servillat, M.
Sguera, V.
Shang, R. Y.
Sharma, P.
Siejkowski, H.
Sinha, A.
Siqueira, C.
Sliusar, V.
Slowikowska, A.
Sol, H.
Specovius, A.
Spencer, S. T.
Spiga, D.
Stamerra, A.
Stanič, S.
Starecki, T.
Starling, R.
Stawarz, Ł.
Steppa, C.
Stolarczyk, T.
Strišković, J.
Suda, Y.
Suomijärvi, T.
Tajima, H.
Tak, D.
Takahashi, M.
Takeishi, R.
Tanaka, S. J.
Tavernier, T.
Tejedor, L. A.
Terauchi, K.
Terrier, R.
Teshima, M.
Tian, W. W.
Tibaldo, L.
Tibolla, O.
Torradeflot, F.
Torres, D. F.
Torresi, E.
Tosti, G.
Tosti, L.
Tothill, N.
Toussenel, F.
Touzard, V.
Tramacere, A.
Travnicek, P.
Tripodo, G.
Truzzi, S.
Tsiahina, A.
Tutone, A.
Vacula, M.
Vallage, B.
Vallania, P.
van Eldik, C.
van Scherpenberg, J.
Vandenbroucke, J.
Vassiliev, V.
Acosta, M. Vázquez
Vecchi, M.
Ventura, S.
Vercellone, S.
Verna, G.
Viana, A.
Viaux, N.
Vigliano, A.
Vigorito, C. F.
Vitale, V.
Vodeb, V.
Voisin, V.
Vorobiov, S.
Voutsinas, G.
Vovk, I.
Vuillaume, T.
Wagner, S. J.
Walter, R.
Wechakama, M.
White, R.
Wierzcholska, A.
Will, M.
Williams, D. A.
Wohlleben, F.
Wolter, A.
Yamamoto, T.
Yamazaki, R.
Yoshida, T.
Yoshikoshi, T.
Zacharias, M.
Zaharijas, G.
Zavrtanik, D.
Zavrtanik, M.
Zdziarski, A. A.
Zech, A.
Zhdanov, V. I.
Živec, M.
Zuriaga-Puig, J.
Luque, P. De la Torre
Publication Year :
2023

Abstract

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.<br />Comment: 93 pages (including author list, appendix and references), 143 figures. Submitted to JCAP

Details

Database :
arXiv
Publication Type :
Report
Accession number :
edsarx.2309.03712
Document Type :
Working Paper