Prospects for $\gamma$-ray observations of the Perseus galaxy cluster with the Cherenkov Telescope Array - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Pré-Publication, Document De Travail Année : 2023

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

K Abe , S Abe , F Acero (1) , A Acharyya , R Adam (2, 3) , A Aguasca-Cabot , I Agudo , A Aguirre-Santaella , J Alfaro , R Alfaro , N Alvarez-Crespo , R. Alves Batista , J.-P Amans (4) , E Amato , E.O Angüner , L.A Antonelli , C Aramo , M Araya , C Arcaro , L Arrabito (5) , K Asano , Y Ascasíbar , J Aschersleben , H Ashkar (3) , 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 (6) , S Bhattacharyya , B Bi , N Biederbeck , A Biland , E Bissaldi , J Biteau (7, 8) , O Blanch , J Blazek , C Boisson (4) , J Bolmont (9) , P Bordas , Z Bosnjak , E Bottacini , F Bradascio (10) , C Braiding , E Bronzini , R Brose , A.M Brown , F Brun (10) , G Brunetti , N Bucciantini , A Bulgarelli , I Burelli , L Burmistrov , M Burton , T Bylund (1) , P.G Calisse , A Campoy-Ordaz , B.K Cantlay , M Capalbi , A Caproni , R Capuzzo-Dolcetta , P Caraveo , S Caroff (6) , R Carosi , E Carquin , M.-S Carrasco (11) , E Cascone , F Cassol (11) , A.J Castro-Tirado , D Cerasole , M Cerruti (12) , P Chadwick , S Chaty (12) , 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 (11) , G Cotter , P Cristofari (4) , O Cuevas , Z Curtis-Ginsberg , G d'Amico , F d'Ammando , M Dalchenko , F Dazzi , M de Bony de Lavergne (1) , V de Caprio , F de Frondat Laadim (4) , E.M de Gouveia Dal Pino , B de Lotto , M de Lucia , D de Martino , R de Menezes , M de Naurois (3) , N de Simone , V de Souza , M.V del Valle , E Delagnes (10) , A.G. Delgado Giler , C Delgado , M Dell'Aiera (6) , 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 (12) , J Djuvsland , R.M Dominik , A Donini , D Dorner , J Dörner , M Doro , R.D.C dos Anjos , J.-L Dournaux (4) , C Duangchan , C Dubos (7) , D Dumora (13) , V.V Dwarkadas , J Ebr , C Eckner (6, 14) , K Egberts , S Einecke , D Elsässer , G Emery (11) , M. Escobar Godoy , J Escudero , P Esposito , S Ettori , C Evoli , D Falceta-Goncalves , V. Fallah Ramazani , A Fattorini , A Faure (5) , E Fedorova , S Fegan (3) , K Feijen (12) , Q Feng , G Ferrand , F Ferrarotto , E Fiandrini , A Fiasson (6) , M Filipovic , V Fioretti , L Foffano , L. Font Guiteras , G Fontaine (3) , 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 (10) , H Göksu , P Goldoni (12) , J.M González , M.M González , J. Goulart Coelho , J Granot , R Grau , L Gréaux (7) , D Green , J.G Green , I Grenier (1) , G Grolleron (9) , 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 (15) , N Hiroshima , B Hnatyk , R Hnatyk , J Hoang , D Hoffmann (11) , W Hofmann , J Holder , D Horan (3) , 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 (15) , P Jean (15) , I. Jiménez Martínez , W Jin , C Juramy-Gilles (9) , J Jurysek , M Kagaya , D Kantzas (14) , V Karas , H Katagiri , J Kataoka , S Kaufmann , D Kerszberg , B Khélifi (12) , R Kissmann , T Kleiner , G Kluge , W Kluźniak , J Knödlseder (15) , Y Kobayashi , K Kohri , N Komin , P Kornecki (4) , K Kosack (1) , G Kowal , H Kubo , J Kushida , A La Barbera , N La Palombara , M Láinez , A Lamastra , J Lapington , P Laporte (4) , S Lazarević , F Leitgeb , M Lemoine-Goumard (13) , J.-P Lenain (9) , 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 (15) , A Mas-Aguilar , M Mastropietro , G Maurin (6) , D Mazin , D Melkumyan , A.J.T.S Mello , J.-L Meunier (9) , 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 (10) , V. Moya Zamanillo , K Munari , T Murach , A Muraczewski , H Muraishi , S Nagataki , T Nakamori , R Nemmen , N Neyroud (6) , 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 (15) , 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 (7) , B Patricelli , D Pavlović , M Pech , M Pecimotika , U Pensec (9, 4) , M Peresano , J Pérez-Romero , G Peron (12) , M Persic , P.-O Petrucci (16) , O Petruk , G Piano , E Pierre (9) , E Pietropaolo , F Pintore , G Pirola , S Pita (12) , C Plard (6) , F Podobnik , M Pohl , M Polo , E Pons (6) , G Ponti , E Prandini , J Prast (6) , G Principe , C Priyadarshi , N Produit , E Pueschel , G Pühlhofer , M.L Pumo , M Punch (12) , F Queiroz , A Quirrenbach , S Rainò , R Rando , S Razzaque , S Recchia , M Regeard (12) , 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 (9) , G Rowell , B Rudak , C.B Rulten , F Russo , I Sadeh , L Saha , T Saito , H Salzmann , D Sanchez (6) , 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 (10) , U Schwanke , G Schwefer , M. Seglar Arroyo , S Seiji , D Semikoz (12) , O Sergijenko , M Servillat (4) , V Sguera , R.Y Shang , P Sharma (7) , H Siejkowski , A Sinha , C Siqueira , V Sliusar , A Slowikowska , H Sol (4) , A Specovius , S.T Spencer , D Spiga , A Stamerra , S Stanič , T Starecki , R Starling , Ł Stawarz , C Steppa , T Stolarczyk (1) , J Strišković , Y Suda , T Suomijärvi (7) , H Tajima , D Tak , M Takahashi , R Takeishi , S.J Tanaka , T Tavernier , L.A Tejedor , K Terauchi , R Terrier (12) , M Teshima , W.W Tian , L Tibaldo (15) , O Tibolla , F Torradeflot , D.F Torres , E Torresi , G Tosti , L Tosti , N Tothill , F Toussenel (9) , V Touzard (15) , A Tramacere , P Travnicek , G Tripodo , S Truzzi , A Tsiahina (15) , A Tutone , M Vacula , B Vallage (10) , 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 (9) , S Vorobiov , G Voutsinas , I Vovk , T Vuillaume (6) , 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 (4) , V.I Zhdanov , M Živec , J Zuriaga-Puig , P de la Torre Luque
K Abe
  • Fonction : Auteur
S Abe
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A Acharyya
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A Aguasca-Cabot
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I Agudo
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A Aguirre-Santaella
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J Alfaro
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R Alfaro
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N Alvarez-Crespo
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R. Alves Batista
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E Amato
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E.O Angüner
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L.A Antonelli
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C Aramo
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M Araya
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C Arcaro
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K Asano
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Y Ascasíbar
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J Aschersleben
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L. Augusto Stuani
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D Baack
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M Backes
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A Baktash
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C Balazs
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M Balbo
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O Ballester
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A. Baquero Larriva
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V. Barbosa Martins
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U. Barres de Almeida
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J.A Barrio
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P.I Batista
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I Batkovic
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R Batzofin
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J Baxter
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J. Becerra González
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G Beck
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J. Becker Tjus
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W Benbow
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J. Bernete Medrano
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K Bernlöhr
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A Berti
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B Bertucci
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V Beshley
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S Bhattacharyya
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B Bi
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N Biederbeck
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A Biland
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E Bissaldi
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O Blanch
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J Blazek
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P Bordas
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Z Bosnjak
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E Bottacini
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C Braiding
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E Bronzini
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R Brose
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A.M Brown
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G Brunetti
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N Bucciantini
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A Bulgarelli
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I Burelli
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L Burmistrov
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M Burton
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P.G Calisse
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A Campoy-Ordaz
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B.K Cantlay
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M Capalbi
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A Caproni
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R Capuzzo-Dolcetta
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P Caraveo
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R Carosi
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E Carquin
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E Cascone
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A.J Castro-Tirado
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D Cerasole
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P Chadwick
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A.W Chen
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M Chernyakova
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A Chiavassa
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J Chudoba
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L Chytka
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A Cifuentes
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C.H. Coimbra Araujo
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V Conforti
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F Conte
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J.L Contreras
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J Cortina
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A Costa
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G Cotter
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O Cuevas
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Z Curtis-Ginsberg
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G d'Amico
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F d'Ammando
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M Dalchenko
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F Dazzi
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V de Caprio
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E.M de Gouveia Dal Pino
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B de Lotto
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M de Lucia
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D de Martino
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R de Menezes
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N de Simone
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V de Souza
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M.V del Valle
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A.G. Delgado Giler
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C Delgado
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D Della Volpe
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D Depaoli
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T Di Girolamo
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A Di Piano
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F Di Pierro
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R Di Tria
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L Di Venere
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S Diebold
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J Djuvsland
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R.M Dominik
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A Donini
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D Dorner
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J Dörner
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M Doro
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R.D.C dos Anjos
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C Duangchan
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V.V Dwarkadas
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J Ebr
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K Egberts
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S Einecke
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D Elsässer
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M. Escobar Godoy
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J Escudero
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P Esposito
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S Ettori
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C Evoli
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D Falceta-Goncalves
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V. Fallah Ramazani
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A Fattorini
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E Fedorova
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Q Feng
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G Ferrand
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F Ferrarotto
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E Fiandrini
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M Filipovic
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V Fioretti
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L Foffano
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L. Font Guiteras
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S Fröse
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Y Fukazawa
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Y Fukui
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D Gaggero
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G Galanti
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S Gallozzi
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V Gammaldi
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M Garczarczyk
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C Gasbarra
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D Gasparrini
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M Gaug
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A Ghalumyan
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F Gianotti
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M Giarrusso
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J Giesbrecht
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N Giglietto
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J.M González
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M.M González
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J. Goulart Coelho
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J Granot
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R Grau
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D Green
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J.G Green
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J Grube
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O Gueta
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J Hackfeld
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D Hadasch
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P Hamal
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W Hanlon
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S Hara
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V.M Harvey
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T Hassan
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L Heckmann
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M Heller
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S. Hernández Cadena
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O Hervet
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N Hiroshima
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B Hnatyk
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R Hnatyk
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J Hoang
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W Hofmann
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J Holder
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P Horvath
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D Hrupec
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M Hütten
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M Iarlori
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T Inada
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F Incardona
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S Inoue
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F Iocco
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M Iori
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M Jamrozy
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P Janecek
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F Jankowsky
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I. Jiménez Martínez
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W Jin
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J Jurysek
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M Kagaya
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V Karas
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H Katagiri
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J Kataoka
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S Kaufmann
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D Kerszberg
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R Kissmann
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T Kleiner
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G Kluge
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W Kluźniak
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Y Kobayashi
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K Kohri
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N Komin
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G Kowal
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H Kubo
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J Kushida
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A La Barbera
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N La Palombara
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M Láinez
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A Lamastra
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J Lapington
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S Lazarević
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F Leitgeb
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F Leone
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G Leto
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F Leuschner
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E Lindfors
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M Linhoff
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I Liodakis
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S Lombardi
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F Longo
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R López-Coto
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M López-Moya
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A López-Oramas
  • Fonction : Auteur
S Loporchio
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P.L Luque-Escamilla
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O Macias
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J Mackey
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P Majumdar
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D Malyshev
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D Mandat
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M Manganaro
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G Manicò
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M Mariotti
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S Markoff
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I Márquez
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P Marquez
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G Marsella
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G.A Martínez
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M Martínez
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O Martinez
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A Mas-Aguilar
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M Mastropietro
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D Mazin
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D Melkumyan
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A.J.T.S Mello
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D.M.-A Meyer
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M Meyer
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D Miceli
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M Michailidis
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J Michałowski
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T Miener
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J.M Miranda
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A Mitchell
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M Mizote
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T Mizuno
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R Moderski
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M Molero
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C Molfese
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E Molina
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T Montaruli
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D Morcuende
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K Morik
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G Morlino
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A Morselli
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V. Moya Zamanillo
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K Munari
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T Murach
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A Muraczewski
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H Muraishi
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S Nagataki
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T Nakamori
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R Nemmen
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L Nickel
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J Niemiec
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D Nieto
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M. Nievas Rosillo
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M Nikołajuk
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K Nishijima
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K Noda
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D Nosek
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V Novotny
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S Nozaki
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P O'Brien
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M Ohishi
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Y Ohtani
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A Okumura
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B Olmi
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R.A Ong
  • Fonction : Auteur
M Orienti
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R Orito
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M Orlandini
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E Orlando
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M Ostrowski
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I Oya
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A Pagliaro
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M Palatiello
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G Panebianco
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D Paneque
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F.R Pantaleo
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R Paoletti
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J.M Paredes
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N Parmiggiani
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B Patricelli
  • Fonction : Auteur
D Pavlović
  • Fonction : Auteur
M Pech
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M Pecimotika
  • Fonction : Auteur
M Peresano
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J Pérez-Romero
  • Fonction : Auteur
M Persic
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O Petruk
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G Piano
  • Fonction : Auteur
E Pietropaolo
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F Pintore
  • Fonction : Auteur
G Pirola
  • Fonction : Auteur
F Podobnik
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M Pohl
  • Fonction : Auteur
M Polo
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G Ponti
  • Fonction : Auteur
E Prandini
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G Principe
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C Priyadarshi
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N Produit
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E Pueschel
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G Pühlhofer
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M.L Pumo
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F Queiroz
  • Fonction : Auteur
A Quirrenbach
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S Rainò
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R Rando
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S Razzaque
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S Recchia
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P Reichherzer
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A Reimer
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O Reimer
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A Reisenegger
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W Rhode
  • Fonction : Auteur
D Ribeiro
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M Ribó
  • Fonction : Auteur
T Richtler
  • Fonction : Auteur
J Rico
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F Rieger
  • Fonction : Auteur
C Righi
  • Fonction : Auteur
L Riitano
  • Fonction : Auteur
V Rizi
  • Fonction : Auteur
E Roache
  • Fonction : Auteur
G. Rodriguez Fernandez
  • Fonction : Auteur
J.J Rodríguez-Vázquez
  • Fonction : Auteur
P Romano
  • Fonction : Auteur
G Romeo
  • Fonction : Auteur
J Rosado
  • Fonction : Auteur
G Rowell
  • Fonction : Auteur
B Rudak
  • Fonction : Auteur
C.B Rulten
  • Fonction : Auteur
F Russo
  • Fonction : Auteur
I Sadeh
  • Fonction : Auteur
L Saha
  • Fonction : Auteur
T Saito
  • Fonction : Auteur
H Salzmann
  • Fonction : Auteur
M Sánchez-Conde
  • Fonction : Auteur
P Sangiorgi
  • Fonction : Auteur
H Sano
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M Santander
  • Fonction : Auteur
A Santangelo
  • Fonction : Auteur
R Santos-Lima
  • Fonction : Auteur
A Sanuy
  • Fonction : Auteur
T Šarić
  • Fonction : Auteur
A Sarkar
  • Fonction : Auteur
S Sarkar
  • Fonction : Auteur
K Satalecka
  • Fonction : Auteur
F.G Saturni
  • Fonction : Auteur
V Savchenko
  • Fonction : Auteur
A Scherer
  • Fonction : Auteur
P Schipani
  • Fonction : Auteur
B Schleicher
  • Fonction : Auteur
J.L Schubert
  • Fonction : Auteur
U Schwanke
  • Fonction : Auteur
G Schwefer
  • Fonction : Auteur
M. Seglar Arroyo
  • Fonction : Auteur
S Seiji
  • Fonction : Auteur
O Sergijenko
  • Fonction : Auteur
V Sguera
  • Fonction : Auteur
R.Y Shang
  • Fonction : Auteur
H Siejkowski
  • Fonction : Auteur
A Sinha
  • Fonction : Auteur
C Siqueira
  • Fonction : Auteur
V Sliusar
  • Fonction : Auteur
A Slowikowska
  • Fonction : Auteur
A Specovius
  • Fonction : Auteur
S.T Spencer
  • Fonction : Auteur
D Spiga
  • Fonction : Auteur
A Stamerra
  • Fonction : Auteur
S Stanič
  • Fonction : Auteur
T Starecki
  • Fonction : Auteur
R Starling
  • Fonction : Auteur
Ł Stawarz
  • Fonction : Auteur
C Steppa
  • Fonction : Auteur
J Strišković
  • Fonction : Auteur
Y Suda
  • Fonction : Auteur
H Tajima
  • Fonction : Auteur
D Tak
  • Fonction : Auteur
M Takahashi
  • Fonction : Auteur
R Takeishi
  • Fonction : Auteur
S.J Tanaka
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Résumé

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.

Dates et versions

hal-04212511 , version 1 (20-09-2023)

Identifiants

Citer

K Abe, S Abe, F Acero, A Acharyya, R Adam, et al.. Prospects for $\gamma$-ray observations of the Perseus galaxy cluster with the Cherenkov Telescope Array. 2023. ⟨hal-04212511⟩
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