Published October 21, 2014 | Version v1
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Lorentz Invariance Violation and Quantum Gravity: constraints from astrophysical observations of extragalactic transient events

Description

Some Quantum Gravity (QG) theories allow for a violation of Lorentz invariance (LIV), manifesting as a dependence on the velocity of light in vacuum on its energy. If such a dependence exists, then photons of different energies emitted together by a distant source will arrive at the Earth at different times. (Very) high energy transient emissions from distant astrophysical sources such as Gamma-ray Bursts (GRBs) and blazars can be used to search for and constrain LIV. This work presents the studies obtained with two leading Gamma-ray telescopes: H.E.S.S. for which a study of the quality of the calibrated data was performed and Fermi-LAT. The energies and arrival times of individual photons were used to constrain the vacuum dispersion parameter and the energy scale EQG at which QG effects causing LIV may arise. The maximum likelihood method is described, with detailed studies of the systematics. A modification for a non-negligible background is provided and applied to the data of an AGN flare observed by H.E.S.S.: the obtained limits on the QG energy scale are less constraining than the previous best limits obtained with blazars; yet, the new limits lie a redshift range not covered this far. Four bright and quasi background-free GRBs observed by the Fermi-LAT were also analysed, with two different template light curve determinations - Gaussian fits and Kernel Density Estimates. The best limits on the EQG scale for the linear/sub-luminal case are from the shortest burst, GRB090510: EQG,1 > 7.6 EPlanck. More robust limits, considering the intrinsic effects possibly occurring at the source, were also derived. (author)

Abstract (French)

Des modeles de Gravite Quantique (QG) predisent une violation de l'invariance de Lorentz (LIV), se manifestant par une dispersion de la lumiere dans le vide. Si un tel effet existe, des photons d'energies differentes emis en meme temps par une source distante sont detectes sur Terre a des moments differents. Les emissions transitoires a (tres) hautes energies provenant de sources astrophysiques lointaines, comme les sursauts gamma (GRBs) et les blazars sont utilisees pour contraindre cet effet LIV. Cet ouvrage presente les etudes menees avec deux telescopes gamma majeurs: H.E.S.S. pour lequel une etude de la qualite des donnees etalonnees a ete realisee et Fermi-LAT. Les energies et les temps d'arrivee de photons individuels ont ete utilises pour contraindre le parametre de dispersion dans le vide ainsi que l'echelle d'energie EQG a laquelle des effets LIV peuvent apparaitre. La methode de maximum de vraisemblance est decrite, avec une etude detaillee des systematiques. Une modification dans le cas de fond non negligeable est appliquee aux donnees de l'eruption d'un blazar observe par H.E.S.S.: les limites obtenues sur EQG sont moins contraignantes que les meilleures limites precedentes, mais elles se trouvent a un redshift non couvert a ce jour. Quatre GRBs observes par Fermi-LAT ont aussi ete analyses, en determinant la courbe de lumiere de deux manieres: ajustements gaussiens et estimation par densite de noyaux. Les meilleures limites sur EQG pour le cas lineaire/subluminal sont obtenus avec GRB090510: EQG,1 > 7,6 EPlanck. Des limites plus robustes, tenant compte des effets intrinseques a la source, ont egalement ete produites. (auteur)

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Original title (English)
Invariance de Lorentz et Gravite Quantique: contraintes avec des sources extragalactiques variables observees par H.E.S.S. et Fermi-LAT

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Imprint Pagination
147 p.
Report number
FRNC-TH--12971

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