Constraints on Lorentz Invariance Violation through the study of energy-dependent photonic time dispersion utilizing observations from current gamma-ray instruments

La Gravedad Cuántica podría establecerse como el puente que conectase las leyes de la física que rigen los fenómenos a mayor y a menor escala en el universo - actualmente explicados por la Relatividad General y la Teoría Cuántica de campos, respectivamente - que desembocaría en la integración, dentro de una única teoría, de todos los fenómenos físicos: la llamada "Teoría del todo". Pese a que la Relatividad General y la Teoría Cuántica de Campos han sido intensamente probadas dentro de sus dominios de aplicabilidad, todavía presentan ciertas incompatibilidades fundamentales que han derivado en el continuo, aunque todavía inacabado, esfuerzo de definir teóricamente el comportamiento cuántico del campo gravitatorio, esfuerzo que comenzó en 1930. Desde ese momento y hasta hoy en día, han surgido un gran número de teorías de la Gravedad Cuántica, pero todavía no se ha alcanzado un marco teórico definitivo capaz de integrar simultáneamente todas las fuerzas fundamentales.Un punto de partida para discriminar entre las diferentes teorías, así como para continuar impulsando el desarrollo teórico, es la búsqueda de las posibles consecuencias físicas que generaría el hecho de que el campo gravitatorio tuviese un comportamiento cuántico. Entre estas posibles consecuencias, se encuentra la modificación de simetrías asociadas al espacio-tiempo, en particular la desviación respecto de la simetría de Lorentz, cuyo estudio ha dado lugar a uno de los campo de investigación más activos dentro de la fenomenología asociada a la Gravedad Cuántica.La escala de energía en la que los fenómenos asociados a un campo gravitatorio cuántico comenzarían a ser relevantes, se sitúa en torno a la escala de Planck. Dicha energía está varios órdenes de magnitud por encima del rango de sensibilidad de la generación actual de experimentos. Sin embargo, pequeñas desviaciones de la simetría de Lorentz integradas en largas distancias, fenómeno conocido como violación de la invarianza Lorentz, podrían producir efectos relevantes a energías más bajas, dentro del alcance experimental. Uno de los tests que tratan de medir estas pequeñas desviaciones se denomina "Tiempo de vuelo" ("Time-of-Flight" en inglés). Dicho test trata de buscar desviaciones dependientes de la energía en la velocidad de propagación de fotones, con respecto a su velocidad teórica, es decir, la velocidad de la luz en el vacío.La presente tesis se centra en esta rama de la fenomenología de Gravedad Cuántica, estudiando las desviaciones mencionadas, mediante rayos gamma de muy alta energía, procedentes de fuentes lejanas. Los rayos gamma son ideales para este tipo de estudio, puesto que viajan a través del universo sin que les afecten los campos magnéticos. Además, han sido detectados procedentes de fuentes muy distantes (z=1) y presentan energías muy altas, hasta varias decenas de TeV. Estos dos últimos factores están directamente relacionados con la intensidad del efecto que produce la ruptura de la invariancia Lorentz y, por tanto, con la capacidad de detectar estas pequeñas desviaciones de forma experimental.En esta tesis se presentan resultados obtenidos usando el método de "Tiempo de vuelo" y haciendo uso de los rayos gamma procedentes de la galaxia lejana Mrk 421, detectados durante un periodo de muy alta actividad por los telescopios MAGIC en 2014. La emisión detectada está formada por cientos de eventos que alcanzan energías de hasta 30 TeV, convirtiéndola en una de las más energéticas jamás empleadas para tests de "Tiempo de vuelo" hasta la fecha. El análisis de esta emisión para detectar pequeñas desviaciones en la velocidad de los fotones se ha llevado a cabo con diversas técnicas, algunas de ellas desarrolladas como parte de este trabajo. Los resultados obtenidos se emplean para acotar la escala de energía esperada para Gravedad Cuántica.Adicionalmente, se presentan los resultados del primer análisis combinado empleando la técnica de "Tiempo de vuelo". Este análisis ha sido desarrollado en colaboración entre todos los telescopios terrestres Cherenkov actualmente en funcionamiento (H.E.S.S., MAGIC y VERITAS) y hace uso simultáneo de datos de varias fuentes detectadas por los diferentes telescopios.El hecho de combinar diferentes fuentes en un análisis, permite discriminar entre efectos temporales debidos a la ruptura de la invarianza Lorentz frente a otros efectos temporales relativos a las propias fuentes. Sin embargo, esta combinación también requiere un gran control de las incertidumbres asociadas a la forma de detección de cada experimento. La siguiente generación de telescopios terrestres Cherenkov, el observatorio llamado "Cherenkov Telescope Array", proveerá muchas nuevas fuentes con emisiones que permitan estudiar más en profundidad la ruptura de invariancia Lorentz. Asimismo, presentará avances técnicos tales como mejoras en la resolución angular y de energía de estos telescopios. Estos factores desembocarán en una disminución de las incertidumbres sistemáticas que de seguro llevará a una mejora en los resultados obtenidos hasta la fecha.Esta tesis está dividida en 6 capítulos y un anexo. El capítulo 1 introduce el tema de Gravedad Cuántica, así como la evolución y los tipos de teorías propuestos a lo largo de la historia, centrándose especialmente en la ruptura de la invariancia Lorentz y los diferentes tests experimentales que tratan de estudiarla. El capítulo 2 presenta el campo de la astrofísica conocido como astronomía gamma. En él se tratan los mecanismos de producción de este tipo de radiación, las técnicas empleadas para su detección, así como los diferentes tipos de fuentes que la generan. El capítulo 3 se centra en los tests experimentales que buscan señales de ruptura de invariancia Lorentz y que son llevados a cabo por telescopios terrestres Cherenkov, con un énfasis especial en los tests de "Tiempo de vuelo". El capítulo 4 describe en detalle los telescopios terrestres Cherenkov llamados MAGIC, sus componentes físicos y el procedimiento seguido para la reducción sus datos. El capítulo 5 contiene los resultados originales de esta tesis, obtenidos mediante el método de "Tiempo de vuelo" y usando los datos de una emisión destacada de Mrk 421. El capítulo detalla cómo se seleccionó la fuente para el estudio, los datos sobre la observación y una descripción minuciosa de los diferentes métodos de análisis. Al final del capítulo, se presentan los resultados así como las conclusiones que se derivan de ellos. Por último, el capítulo 6 contiene los resultados del análisis de la ruptura de la invariacia Lorentz, realizado en colaboración por todos los telescopios terrestres Cherenkov activos en la actualidad. El capítulo muestra las diferentes fuentes empleadas, el método de análisis y su calibración, y termina con los resultados y los siguientes planes para la colaboración.El anexo A contiene el trabajo desarrollado como contribución en la construcción del primer telescopio del nuevo observatorio "Cherenkov Telescope Array", basado en el diseño de las calibraciones del sistema de trigger de dicho telescopio. Puesto que el tema y los objetivos de dicho trabajo difieren considerablemente del hilo conductor del resto de la tesis, se ha decidido separarlo del cuerpo principal y situarlo en un anexo. Sin embargo, esta tarea ha requerido una cantidad considerable del tiempo dedicado a esta tesis y ha supuesto una parte importante en la formación del autor, por lo que se considera que merece su lugar en este trabajo.<br /

First combined studies on Lorentz Invariance Violation from observations of astrophysical sources

International audienceImaging Atmospheric Cherenkov Telescopes study the highest energy (up to tens of TeV) photon emission coming from nearby and distant astrophysical sources, thus providing valuable results from searches for Lorentz Invariance Violation (LIV) effects. Highly variable, energetic and distant sources such as Pulsars and AGNs are the best targets for the Time-of-Flight LIV studies. However, the limited number of observations of AGN flares or of high-energy pulsed emission greatly restricts the potential of such studies, especially any potential LIV effects as a function of redshift. To address these issues, an inter-experiment working group has been established by the three major collaborations taking data with Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (H.E.S.S., MAGIC and VERITAS) with the aim to increase sensitivity to any effects of LIV, together with an improved control of systematic uncertainties, by sharing data samples and developing joint analysis methods. This will allow an increase in the number of available sources and to perform a sensitive search for redshift dependencies. This presentation reviews the first combined maximum likelihood method analyses using simulations of published source observations done in the past with H.E.S.S., MAGIC and VERITAS. The results from analyses based on combined maximum likelihood methods, the strategies to deal with data from different types of sources and instruments, as well as future plans will be presented

Calibration and performance of the readout system based on switched capacitor arrays for the Large-Sized Telescope of the Cherenkov Telescope Array

International audienceThe Cherenkov Telescope Array1 (CTA) is the next-generation ground-based observatory for very-high-energy gamma rays. The CTA consists of three types of telescopes with different mirror areas to cover a wide energy range (20 GeV–300 TeV) with an order of magnitude higher sensitivity than the predecessors. Among those telescopes, the Large-Sized Telescope (LST) is designed to detect low-energy gamma rays between 20 GeV and a few TeV with a 23 m diameter mirror. To make the most of such a large light collection area (about 400 m2), the focal plane camera must detect as much reflected Cherenkov light as possible. We have developed each camera component to meet the CTA performance requirements for more than ten years and performed quality-control tests before installing the camera to the telescope.2, 3 The first LST (LST-1) was inaugurated in October 2018 in La Palma, Spain (Figure 1).4 After the inauguration, various calibration tests were performed to adjust hardware parameters and verify the camera performance. In parallel, we have been developing the analysis software to extract physical parameters from low-level data, taking into account some intrinsic characteristics of the switched capacitor arrays, Domino Ring Sampler version 4 (DRS4), used for sampling the waveform of a Cherenkov signal. In this contribution, we describe the hard- ware design of the LST camera in Section 2, a procedure for low-level calibration in Section 3, and the readout e of the LST camera after the hardware calibration with a dedicated analysis chain in Section 4

The blazar TXS 0506+056 associated with a high-energy neutrino: insights into extragalactic jets and cosmic ray acceleration

International audienceA neutrino with energy ∼290 TeV, IceCube-170922A, was detected in coincidence with the BL Lac object TXS 0506+056 during enhanced gamma-ray activity, with chance coincidence being rejected at ∼3σ level. We monitored the object in the very-high-energy (VHE) band with the Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC) telescopes for ∼41 hr from 1.3 to 40.4 days after the neutrino detection. Day-timescale variability is clearly resolved. We interpret the quasi-simultaneous neutrino and broadband electromagnetic observations with a novel one-zone lepto-hadronic model, based on interactions of electrons and protons co-accelerated in the jet with external photons originating from a slow-moving plasma sheath surrounding the faster jet spine. We can reproduce the multiwavelength spectra of TXS 0506+056 with neutrino rate and energy compatible with IceCube-170922A, and with plausible values for the jet power of . The steep spectrum observed by MAGIC is concordant with internal γγ absorption above ∼100 GeV entailed by photohadronic production of a ∼290 TeV neutrino, corroborating a genuine connection between the multi-messenger signals. In contrast to previous predictions of predominantly hadronic emission from neutrino sources, the gamma-rays can be mostly ascribed to inverse Compton upscattering of external photons by accelerated electrons. The X-ray and VHE bands provide crucial constraints on the emission from both accelerated electrons and protons. We infer that the maximum energy of protons in the jet comoving frame can be in the range ∼1014 – 1018 eV