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

Nogués Marcén, Leyre
Martínez Rodríguez, Manel (dir.) ; Gaug, Markus (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2018


Abstract: 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.


Abstract (other lang.): 

Pal. clave: fisica teorica

Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488

Department: Física Teórica

Nota: Presentado: 30 11 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Física Teórica, 2018

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 Record created 2019-01-25, last modified 2021-05-20


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