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- ItemA critical analysis of Shuryak’s Predictive Radiocarcinogenesis Model(2024) Heumann Schröder, Nicolás Matthias; Sánchez Nieto, Beatriz; Espinoza Bornscheuer, Ignacio Guillermo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaObjective: To critically analyze, simplify and implement a predictive radiocarcinogenesis model to estimate the risk of secondary cancer after RT which can effectively compare different radiotherapy treatment plans with the aim of having an additional element of information during the decision-making process for the best RT plan.Methodology: A Python software was developed that was able to implement the model proposed by Shuryak et al. (2009). Simplifications and minor corrections were made which allowed for more compactness and more efficient run times. The model was then reparametrized with newer data from the Surveillance, Epidemiology, and End Results Program (SEER) database and several epidemiological studies using Bayesian Inference. Uncertainty propagation studies were then conducted to understand their propagation better. Finally, the model with its new parameters was applied to a selection of prostate plans to determine if it could construct a risk hierarchy.Results: The model was successfully reparametrized with newer data. Although some parameters show significant deviation from Shuryak’s original parameters, they are mostly on the same order of magnitude, and the differences arise likely due to differences in fitted data and the fitting process itself. Shuryak’s model successfully built a risk hierarchy between prostate plans, although it deviated from the more simplistic linear non-threshold BEIR VII model. It was also possible to simplify some complex mathematical equations, both in general and for particular cases, allowing for easier implementation and more efficient run times.Conclusions: Shuryak’s model was successfully reparametrized and implemented, showing potential to become clinically applicable. However, more comparisons between the model’s result and epidemiological data must be made to evaluate its accuracy better, and more concise and complete second primary cancer studies must be used before the model is reliable enough for clinical decision-making.
- ItemA Predictive Simulation Chain for DNA Damage and Cell Death Induced By Ionizing Radiation(2023) Salgado Maldonado, Sebastián Ignacio; Russomando, Andrea; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaProton therapy is an effective form of cancer treatment that uses proton beams in the MeV range to destroy cancer cells. However, the protons' efficiency at killing cells varies as the beam penetrates tissue, thus, their biologically effective range presents a significant challenge in predicting the effects of proton irradiation. In this work, the development of a novel methodology in the determination the biological effect of protons through Monte Carlo (MC) beam transport and DNA damage simulations in combination with mechanistic cellular survival modeling is presented. The simulations show that the DNA damage generation and subsequent cell killing is affected by the evolution of the proton beam as it penetrates tissue without recurring to a definition of relative biological effectiveness (RBE). This also shows that a fixed RBE of 1.1 such as the one used in the clinics today may not be enough to predict the biological effect. Furthermore, the proton killing probability shift with respect to their deposited dose, i.e., the biological penumbrae, is estimated employing this framework. The methodology is also tested in various conditions, i.e., different mechanistic model parametrizations, considering proton beam fragmentation, and accounting for changes related to the cell cycle. Results suggest that this framework can provide insight into the biological effects of proton therapy and improve the accuracy of treatment planning. This study contributes to the field of radiobiology by providing a method to reliably simulate the biological response of living tissues to proton radiation, making us able to potentially answer important questions such as the proton biological range uncertainty, the effects of cell phase upon its survival probability, the contribution of heavier ion fragmentation to the DNA damage, among many others presented in this thesis.
- ItemA study of the vascular effect of photodynamic therapy with oxygen variation on chorioallantoic membrane model(2022) Aizpuru Vargas, Luis Lauro; Buzzá, Hilde Harb; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaChicken chorioallantoic membrane (CAM) assays have been proven to be very effective models to study the impact of chemical and biological agents on its vascular network. The study of pharmaceutical drugs, xenografts and photosensitizers on these assays are current areas of research. In particular, the use of photodynamic therapy (PDT) has been shown to induce a significant decrease in both the diameter and number of blood vessel ramifications of the CAM. Given that molecular oxygen is so important for the effectiveness of this therapy, it opens the possibility of testing bio-compatible photosynthetic microalgae capable of locally producing oxygen. Even though there is ample evidence of the use of bio-compatible microalgae in scaffolds for wound recovery, there is little to no research done on the combination of microalgae and PDT in CAM essays. In this thesis work, we present a study that explores how microalgae, PDT and the combination of these two change the vascularization of the CAM. Throughout this experiment, the photosensitizer that was used was methylene blue whilst the microalgae that was used was Chlamydomonas reinhardtii. In order to perform the quantitative measurements, an image analysis software allowed us to count the number of bifurcation points. Firstly, four groups were defined to study how the PDT at different days of embryonic development (EDD) might change blood vessel ramifications. These groups were defined as control, only light, only methylene blue and the PDT groups. It was found that after 24 hours, for EDD8, the ramifications for the PDT case dropped by 40% whilst for EDD10 they dropped by 60% with light at 630 nm with 30 mW/cm2 for 5 minutes. Second, it was explored how illuminated microalgae might possibly increase the vascular networks with the same light parameters. It was found that after 24 hours for EDD8 the network grew by 30% and for EDD10 it grew by 20%. Moreover, the combination of a photosensitizer and microalgae was studied to analyze if it might change the effectiveness of the PDT. It was found after 24 hours that for all the explored permutations for both EDD8 and EDD10 all the eggs were dead, showcasing the effect of an oxygen-enriched PDT. Given that the effect was way to strong, the methylene blue solution was diluted by a factor of x10 (0.03 mg of MB/mL) to see if this resulted in a measurable effect on the eggs for the combination case. Indeed, it was found that the decrease from the baseline ramification levels was 30% for the PDT and 60% for the oxygen enhanced PDT. The novel element of this work was that it was one of the first to explore the possibility of creating an oxygen-rich PDT in a CAM assay. This showed that it is possible to combine microalgae and a photosensitizer in a way that enhances the effectiveness of the PDT. This might translate into the possibility of employing this technique in an in-vivo trail with mice or other mammals to guarantee its safety. In conclusion, we found that illuminated photosynthetic microalgae raises the effectiveness of PDT in the vascular network of CAM assays.
- ItemAmorphous materials under stresses: understanding critical behavior(2022) Villarroel Cortés, Carlos Javier; Düring, Gustavo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaGran parte de los materiales que utilizamos a diario no se comportan como un sólido elástico o un fluido newtoniano cuando se les aplica deformación. Dentro de la extensa lista de estos materiales que presentan características no lineales en cantidades macroscópicas, podemos encontrar muchos alimentos que consumimos o incluso la piel humana. Comprender estos comportamientos particulares actualmente representa un desafóo importante con aplicaciones en la industria y la medicina. Para responder algunas de las preguntas que estos materiales particulares presentan hoy en día, en esta tesis, utilizando simulaciones numéricas de alto nivel, estudiamos dos fenómenos no lineales críticos, el fenómeno de “Yielding” y el fenómeno de “Strain-Stiffening”. En particular, la transición de “Yielding” se observa en materiales donde, dependiendo de la tensión aplicada, es posible pasar de un estado mecánicamente estable a uno que fluye como un líquido. En este contexto, mediante simulaciones de partículas blandas, se realiza el cálculo de los exponentes críticos que gobiernan el régimen fluido para dos escenarios de esfuerzos aplicados, y se estudia cómo las estadísticas de avalanchas pueden caracterizar el flujo. Finalmente, para el fenómeno “Strain-Stiffening”, se propone un nuevo modelo de redes semi-flexibles capaces de replicar este comportamiento, donde un sistema blando se transforma en uno rígido mediante la aplicación de una deformación. A su vez, este modelo es capaz de explicar y predecir de buena manera los exponentes críticos que gobiernan la transición.
- ItemAplicación de Análisis Armónico Para la Estimación de los Autovalores del LaplacianoCádiz Carvajal, Rodrigo Esteban; Benguria Donoso, Rafael; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaEn este trabajo se comienzan analizando dominios elípticos Ω para observar cómo se comportan dos conjeturas abiertas relacionando la distancia al origen de la variedad nula N(Ω) y el segundo autovalor del laplaciano de Dirichlet asociado a Ω. En este sentido, se encuentran expresiones analíticas para la variedad nula y para la distancia al origen k(Ω). A partir de lo anterior, se estudia cómo la excentricidad de las elipses influye en las conjeturas, en particular, cuando se consideran excentricidades cercanas a uno, donde se tienen resultados para grandes deformaciones de un disco. Como parte de este análisis, y para determinar los autovalores del laplaciano de Dirichlet, se estudia brevemente las propiedades del operador de Mathieu y su conexión con la ecuación de Schrödinger con potencial V(x)=4x^2, pero se da énfasis al análisis de la ecuación de Mathieu y la ecuación de Hill, donde se investigan las propiedades de las ecuaciones diferenciales periódicas. En esta misma línea, se cuenta con un estudio de las condiciones de borde del problema, y se implementa un programa en Python para determinar numéricamente los autovalores. En consecuencia, se obtiene información numérica que representa evidencia numérica fuerte que respalda la segunda conjetura. Para continuar, se estudia una extensión del estudio de las conjeturas a espacios de curvatura constante distinta de cero, donde destacan la n-esfera S^n, y el espacio hiperbólico H^n. Se encuentra que la compacidad de S^n no permite encontrar la variedad nula, y para esto es necesario estudiar el espacio H^n. En el estudio de H^n, se cuenta con una descripción de dos modelos de trabajo, para hacer énfasis en el modelo de la esfera de Poincaré, especializando para el caso n=3. En este espacio, se trabaja con una bola geodésica, donde se determina la variedad nula y el segundo autovalor de Laplace--Beltrami mediante el método de Shooting, para encontrar que se pierde la intuición acerca de cómo luce la segunda conjetura en este espacio, pudiendo escribirla de una forma modificada. Finalmente, se estudian perturbaciones de una esfera unitaria en R^3, donde se analizan tres casos de forma perturbativa, y se concluye que es necesario contar con un método de análisis alternativo para obtener información.
- ItemAtrapamiento y análisis del movimiento de partículas dieléctricas mediante la técnica de pinzas ópticas(2024) Moreno Martínez, Antonia Angélica; Maze Ríos, Jerónimo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaLas pinzas ópticas son una innovadora técnica en el campo de la física experimental que ha permitido estudios en diferentes disciplinas. Este trabajo busca analizar el movimiento de partículas esféricas y dieléctricas atrapadas ópticamente en un sistema de agua con bajo número de Reynolds, mediante la adquisición de datos en tiempo real y el análisis numérico con herramientas tales como la correlación del desplazamiento y la densidad espectral de potencia.
- ItemBúsqueda de hidrógeno neutral HI en Voorwerpjes usando el radio interferómetro VLA(2021) Zagal San Martín, Valentina; Treister, Ezequiel; Barcos Muñoz, Loreto; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de AstrofísicaEl descubrimiento fortuito de una región altamente ionizada dominada principalmente por líneas de emisión de [OIII] cercana a la galaxia espiral IC 2497 bautizada como Hanny’s Voorwerp, incentivó una búsqueda de sistemas análogos desde el Proyecto Galaxy Zoo, es decir, galaxias con regiones de líneas de emisión extendidas (EELR) superior a los 10 kpc, denominadas como Voorwerpjes. Los espectros ópticos de estas peculiares galaxias, aluden a una ionización producida por la actividad pasada del AGN. Además, comparten la cualidad de ser sistemas generados por algún proceso de fusión, sugiriendo la presencia de grandes reservas de hidrógeno neutral HI extraplanar. Estas características sugieren que, para poder poder observar estas EELR es necesario que el cono de ionización entre en contacto con el gas neutral y ambos apunten en tal dirección, de manera que sean visibles desde nuestra línea de visión. La presente tesis estudia el hidrógeno neutral HI en 9 AGN bautizados como Voorwerpjes (0.0296 < z < 0.0547) utilizando las observaciones radio interferométricas obtenidas con la configuración más compacta (~1 km) del VLA entre 1 y 2 GHz. Estableciendo como finalidad la detección de la línea HI (o línea de 21 cm), la cual justifique naturalmente la presencia de estas regiones ionizadas en los alrededores de sus galaxias. Los mapas espectrales a ~1.5 GHz presentaron dos detecciones para la línea de 21 cm: una única emisión y absorción para las fuentes SDSS 1005 y SDSS 2201, respectivamente. El resto de la muestra no presenta detección espectral y el radio continuo de SDSS 1510 no fue detectado. La masa del gas neutral desde la emisión de HI es comparable con el gas neutro presente en el Hanny’s Voorwerp, como también con galaxias típicas, por ejemplo la Vía Láctea. Adicionalmente, la masa HI resultante desde los límites superiores son en promedio menores que el gas neutral en galaxias normales. En cuanto al valor de la columna de densidad desde la absorción, es comparable con los AGN que componen al Zoológico de Absorción HI. Por otro lado, la conversión de los radio continuo hacia la temperatura de brillo, está limitada por el rango de resolución recuperada desde el tipo de observación. No obstante, la comparación con el sondeo NVSS verifica el correcto procesamiento de los datos además de presentar una mejora del 33%. Finalmente, los Voorwerpjes serían AGN pobres en HI actualmente inactivos.
- ItemBúsqueda de soluciones singulares en tiempo finito de las ecuaciones de Euler para fluidos incompresibles y no viscosos(2023) Martínez Argüello, Diego Fernando; Rica, Sergio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaEn el contexto del problema de la globalidad de las ecuaciones Euler (EE) para fluidos incompresibles e invíscidos, se presenta un procedimiento para obtener soluciones singulares en un tiempo finito tc y asintóticas en t → tc para las EE en 3D con simetría axial. La singularidad se induce con un ansatz autosimilar para la dependencia radio-temporal, caracterizado por un exponente autosimilar, ν, por encontrar. Junto con el uso de una expansión en el ángulo polar, las EE axisimétricas se transforman en un conjunto autónomo e infinito de ecuaciones diferenciales ordinarias para las amplitudes de la expansión. Este sistema dinámico se resuelve numéricamente para diferentes truncaturas, N, de la expansión ajustando el exponente ν según las condiciones de borde. Como resultado, las soluciones para diferentes N forman una secuencia convergente tanto en el exponente ν ≈ 2.0 como en las amplitudes autosimilares. Además, se muestra que las soluciones son estables, calculando aproximadamente su conjunto infinito de autovalores de inestabilidad y concluyendo que ν ≈ 2 es el único exponente estable para N → ∞. Esta secuencia convergente indica que existe una solución que resuelve el sistema dinámico exacto, para N → ∞, y el flujo asociado sería una solución singular en tiempo finito de las EE que sugiere su no-globalidad.
- ItemCaracterización de cristales no lineales y su uso en la caracterización de pulsos ultracortos(2022) Hidalgo Rojas, Diego Mauricio; Seifert, Birger; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaLos cristales no lineales se usan ampliamente en la óptica no lineal y en la caracterización de pulsos. Estos cristales no lineales suelen ser materiales birrefringentes, ya que su anisotropía óptica da mayor facilidad para obtener altas eficiencias en fenómenos como la conversión de armónicos, por ejemplo, generación del segundo armónico y del tercer armónico. Durante bastante tiempo se han estudiado y utilizado cristales inorgánicos u orgánicos, siendo los primeros los más comunes en el comercio. No obstante, existe un nuevo material que debido a su gran respuesta no lineal teórica es un buen candidato para ser un cristal no lineal ideal, capaz de ser ajustado en su composición para mejorar la eficiencia en ciertas longitudes de ondas, estos cristales son los “metal-organic framewroks” MOFs, los cuales son cristales híbridos que poseen en su estructura iones metálicos unidos con ligandos orgánicos. Los cristales no lineales se han utilizado en varios experimentos, uno de estos es la caracterización de pulsos ultracortos. Esto abrió un área que parecía estancada por la imposibilidad de obtener, desde la electrónica, la información completa de un pulso. Con los cristales no lineales se comienzan a utilizar fenómenos no lineales en diferentes métodos para obtener una señal y reconstruir el pulso en base a ésta, lo que se conoce como problema inverso. En esta tesis se muestran dos investigaciones relacionadas por el uso de cristales no lineales. Primero se estudia un MOF sintetizado en la Universidad de Santiago de Chile llamado Zn(3 − ptz)2. El tamaño de las muestras resultan ser mayores a 1 mm dando la posibilidad de estudiar tanto la birrefringencia como la generación del segundo armónico de manera precisa y sin métodos que utilicen polvos, esto es, estudiando muestra por muestra de manera individual. De esta forma fuimos capaces de caracterizar lineal y no linealmente el cristal, coincidiendo con varios resultados calculados teóricamente. Además, se muestra por primera vez en cinco años de estudios, la generación del tercer armónico en este cristal. La segunda investigación se basa en el uso de un cristal no lineal comercial en la caracterización de pulsos ultracortos con un método no interferométrico y usando un algoritmo directo, dando mayor rapidez en la obtención de los resultados, se reconstruyeron pulsos complejos generados con un “pulse shaper” obteniendo errores menores al 1 %. De esta forma, no solo hemos caracterizado un nuevo cristal no lineal de gran tamaño, si no que además hemos reconstruido pulsos utilizando un cristal no lineal comercial.
- ItemCaracterización dosimétrica del irradiador preclínico X-RAD 320 e implementación en una herramienta de cálculo de dósis(2021) Emiliani de la Torre, Luis Eduardo; Sánchez Nieto, Beatriz; Caprile Etchart, Paola F.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaEl objetivo de esta tesis fue la caracterización dosimétrica del irradiador preclínico X-RAD 320 mediante simulaciones Monte Carlo (MC). Adicionalmente, se implementó una herramienta de cálculo de dosis basada en los resultados de las simulaciones. El método utilizado en esta tesis se basa en simulaciones MC con el código EGSnrc y la librería DOSXYZnrc, las simulaciones se llevan a cabo con una fuente puntual de radiación isotrópica a la cual se le asocia un espectro de energía, que en nuestro caso fue generado con SpekCalc con las características del irradiador preclínico X-RAD 320 (ángulo del tubo de rayos x de 30° y filtración inherente de 3 mm de Berilio). Dichas simulaciones se llevaron a cabo con las mismas condiciones de medición establecidas por Azimi (con una calidad de haz de 225 kVp, filtración de 0,35 mm Cu y un SSD = 50 cm). Se compararon las medidas de dosis relativa en profundidad, perfiles de dosis relativa y output factors realizadas por Azimi y las simulaciones MC calculadas en este trabajo para validar el método implementado. Luego se realizó la caracterización dosimétrica el irradiador preclínico para diferentes calidades de haz. Y por último se evaluaron las diferencias en la dosis para condiciones heterogéneas (corresponde a un fantoma de agua con una heterogeneidad de hueso o pulmón) y condiciones reales (corresponde a simulaciones en un fantoma de ratón heterogéneo y homogéneo para dos condiciones de irradiación) en comparación con la dosis en agua. Las congruencias de los resultados obtenidos para la dosis en profundidad, perfiles de dosis relativa y output factors para las simulaciones MC realizadas en este trabajo en comparación con las medidas realizadas por Azimi se pudo validar satisfactoriamente el método implementado. Se logró diseñar una herramienta de cálculo para la dosis (DOSAB) para campos cuadrados que utiliza las matrices de dosis de las simulaciones MC con ella se puede estimar la dosis para tamaños de campo entre 0,5 x 0,5 hasta 15 x 15 cm2 , para las calidades de haz simuladas. Según los resultados obtenidos en las condiciones heterogéneas y las condiciones reales se puede concluir que, si se utiliza DOSAB para estimar la dosis después del hueso, se tendrá una sobreestimación de la dosis, mientras que si se quiere estimar la dosis después del pulmón se tendrá una subestimación de la dosis, estos efectos dependen de la calidad del haz, tamaño y tipo de la heterogeneidad y del tamaño de campo.
- ItemCaracterización eléctrica de juntura de arreglos nanotubos de carbono de baja cristalinidad con silicio dopado tipo N(2022) Cerda Villaseca, Daniel Andrés; Hevia, Samuel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaEn este trabajo se estudian las propiedades de transporte eléctrico de un set de 3 dispositivos basados en arreglos altamente ordenados de nanotubos de carbono de baja cristalinidad (LC-CNTs) crecidos directamente sobre un sustrato de silicio dopado tipo N, mediante la utilización de alúmina nanoporosa como molde. Los nanotubos de carbono (CNTs) fueron sintetizados mediante depósito químico en fase vapor (CVD) dentro de los poros de las membranas de alúmina. Estas membranas, que cumplen el rol de molde y de otorgar estabilidad al sistema se fabricaron mediante la anodización controlada de una película de aluminio depositada directamente sobre el sustrato de Si. Dado que este método de fabricación permite un alto grado de control en las dimensiones de los LC-CNTs (largo, diámetro externo y espesor de pared), se definió realizar un estudio en función del espesor de pared del nanotubo, ya que es en esta variable en la que el transporte eléctronico presenta una fuerte dependencia. Se fabricaron tres dispositivos conteniendo LC-CNTs con espesores de pared promedio de 0.4, 0.7 y 1.1 nm. Para llevar a cabo el estudio, se depositó un contacto de oro en la parte superior de los LC-CNTs, con la finalidad de tener un contacto eléctrico apropiado. Luego, se midió la curva de corriente eléctrica en función del voltaje aplicado a diferentes temperaturas, en el rango de 20 a 300 K y en condiciones de alto vacío y oscuridad. De acuerdo a lo observado en las mediciones, los dispositivos mostraron un comportamiento tipo rectificador, lo cual se atribuye principalmente a la existencia de una juntura tipo Schottky entre los LC-CNTs y el silicio. Los LC-CNTs no han sido estudiados exhaustivamente, a diferencia de los CNTs de pared simple o múltiple, por lo que uno de los objetivos de este trabajo es estudiar el comportamiento eléctrico de los LC-CNTs en este tipo de junturas. Una juntura tipo Schottky es un caso particular de una juntura entre un metal y un semiconductor, en la cual la corriente a través de esta es modelada usualmente mediante el modelo de emisión termoiónica, pero también se deben tener en cuenta el modelo de recombinación en la región espacial de carga y el mecanismo de tunneling. En este trabajo se utilizó el modelo de emisión termoiónica y adicionalmente se llevo a cabo un modelo circuital para ajustar teóricamente los datos experimentales. Si bien se observó un comportamiento rectificador en las mediciones, este no era puro, ya que para los regímenes de polarización directa e inversa el comportamiento de la curva de corriente versus voltaje era lineal. En base a esto, se requería parámetros adicionales al modelo que se justifican con el modelo circuital utilizado. Una vez agregados dichos parámetros, los resultados obtenidos reflejaron que los tres dispositivos ajustan al modelo de emisión termoiónica en un rango determinado de temperatura. Los parámetros del modelo permitieron estudiar los dispositivos en un amplio rango de temperatura y permitieron obtener información sustancial de los LC-CNTs. Al saber de un trabajo previo que el contacto entre el oro y los LC-CNTs es óhmico, se logró determinar que adicionalmente el contacto entre el silicio y los LC-CNTs también lo es. Adicionalmente se logró estudiar la conductividad de los LC-CNTs en función de la temperatura, en donde el dispositivo con menor espesor de pared ajustó con el transporte eléctrico por Hopping de rango variable, mientras que los de mayor espesor de pared no. Debido a lo anterior y tomando en cuenta un trabajo previo realizado en el laboratorio, se propuso la existencia de un mecanismo en paralelo que justificara el transporte eléctrico de los dispositivos de mayor espesor de pared. Dicho mecanismo estuvo dado por la teoría de Bloch-Grüneisen, en donde se logró determinar que el transporte eléctrico de dichos dispositivos posee una contribución metálica. Finalmente, al analizar los parámetros del modelo se concluyó que a medida que baja la temperatura, el modelo de emisión termoiónica tiende a desaparecer, es decir, que ya no ajusta correctamente a las mediciones. En particular se observa que el voltaje de barrera presente en la juntura entre los LC-CNTs y el silicio disminuye con la temperatura. Entonces, dado que el transporte de electrones mediante emisión termoiónica es un proceso de activación térmica, los electrones a baja temperatura sólo pueden superar barreras energéticas de menor valor. Esto, a través de tunneling o recombinación, ya que la energía que poseen los electrones no les permite estar en la banda de conducción que es donde se lleva a cabo la emisión termoiónica.
- ItemCategorisation of dark photon jets using machine learning techniques(2023) Haacke Concha, Michael; Garay Walls, Francisca; Olivares Pino, Sebastián Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaThis thesis presents a search for Dark Photons decaying into two Hidden Lightest Stable Particles (HLSP) and fermions or light hadrons using ATLAS experiment data from the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV, with an integrated luminosity of 139.0 fb^-1. This study looks to discriminate the dark photon signal produced by a vector-boson-fusion Higgs from all backgrounds using various machine learning techniques. Among the methods tested, XGBoost emerged as the most effective, achieving a MC simulated significance of 5.88 standard deviations. This marked a substantial 22.5% improvement compared to the standard VBF analysis.
- ItemCharacterization of extragalactic fast X-ray transients from X-ray archival searches(2023) Quirola Vasquez, Jonathan Alexander; Bauer, Franz Erik; Jonker, Peter; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de AstrofísicaExtragalactic fast X-ray transients (FXTs) are non-Galactic short flashes of X-ray photons (in the narrow range of ≈0.3–10 keV) of unclear origin that last a few minutes to hours. A variety of astronomical objects and physical mechanisms have been proposed for the origin of extragalactic FXTs, such as core-collapse SNe shock breakout (SBOs), gamma-ray bursts (GRBs), and intermediate massive black holes (IMBH)-white dwarf (WD) tidal disruption events. During the last two decades, several FXTs have been detected by Chandra, XMM-Newton, and Swift-XRT, serendipitously (for instance, Soderberg et al. 2008; Bauer et al. 2017; Xue et al. 2019; Alp & Larsson 2020; Lin et al. 2022). Previously, Yang et al. (2019) developed a method that can efficiently detect single X-ray burst light curves in a single Chandra exposure, and systematically applied it to ≈19 Ms Chandra. While this method efficiently detected all past known FXTs (2), it failed to find any new FXT candidates, setting loose bounds on their space densities. The main objective of this thesis is to identify and characterize extragalactic FXTs hidden in the Chandra archive. We apply here two modified versions of the algorithm developed by Yang et al. 2019 to X-ray sources located at |b|>10 deg (i.e., 14281 Chandra observations, totaling ≈258 Ms and 857 deg 2 ) to minimize stellar flares contamination. In Chapter 2, we consider the X-ray sources of the Chandra Source Catalog 2.0 (data available until the end of 2014; CSC2). In Chapter 3, we extend our systematic search by reprocessing the Chandra data not covered by CSC2. In both instances, we adopt additional criteria to rule out strong contamination from persistent X-ray sources (analyzing further X-ray observations taken by Chandra, XMM-Newton, Swift–XRT, Einstein, and ROSAT, and considering other astronomical catalogs such as Gaia, NED, SIMBAD, VHS, DES, Pan-STARRS), in order to identify 22 FXTs (14 and 8 FXTs identified inside CSC2 and beyond it, respectively) consistent with an extragalactic origin. We rediscover all previously reported Chandra events from the literature (Jonker et al. 2013; Glennie et al. 2015; Bauer et al. 2017; Xue et al. 2019; Lin et al. 2019, 2021, 2022). The 22 FXT candidates have peak 0.3–10 keV fluxes between F X,peak ≈6×10^−14 to 2×10^−10 erg cm−2 s−1 and T 90 durations from ≈0.3 to 40 ks. The sample is split into two groups: five "nearby" FXTs that occurred within d≲100 Mpc, and 17 "distant" FXTs at d>100 Mpc. Indeed, the latter have redshifts between ≈0.3 to 2.2. Thus, the local and distant samples have associated peak X-ray luminosities of L X,peak ≈10^39 − 10^40 and 10^44 − 10^47 erg s−1, respectively. After applying completeness corrections, we calculate the first FXT X-ray luminosity function and derive event rates for the nearby and distant samples of 34.3_{−10.8}^{+13.7} and 36.9_{−8.3}^{+9.7} deg-2 yr−1, respectively, for a limiting flux of Fpeak=10^−13 erg cm−2 s−1. We compare the volumetric density rate of FXTs with well-known transient classes such as SBOs, GRBs, and TDEs, concluding that FXTs remain broadly consistent with different transients at distinct cosmic epochs. Regarding their host properties, local hosts tend to lie just below the star-forming main sequence, with many FXTs situated in or near HII regions, implying some relation to massive stars. On the other hand, distant hosts tend to be spread all over (starburst, main sequence, and green valley regions), potentially consistent with GRB and SNe hosts. Timing and spectral properties, combined with other properties such as galactic parameters and volumetric rates, might imply that we have a mix of origins related to this novel sample of FXTs. Finally, in Chapter 4 we interpret a subset of nine FXTs with plateau or fast-rise light curves in the context of an X-ray magnetar model produced after the merger of two neutron stars. The model produces good fits to the light curves of this sub-sample, and the best-fit magnetar parameters suggest a common origin. Although the interpretation is consistent with most of the observational parameters, exploring other scenarios remains a necessary future task.
- ItemCharacterization of ferromagnetic and antiferromagnetic systems using nitrogen-vacancy center relaxometry(2024) Cabezón Heitzer, Ricardo Javier; Rodríguez Suárez, Roberto; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaRelaxometry with nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond is an innovative and non-invasive technique that has been increasingly used for characterizing magnetic materials. Because of their exceptional quantum coherence and capability to be manipulated optically, it is possible to measure their relaxation time and, from this quantity, probe physical characteristics of the environment. This technique is the so-called called relaxometry. During the last few years, NV centers have been used for measuring magnetic properties in ferromagnetic materials, and a few times for antiferromagnetic systems with easy-axis anisotropy.In this work, we develop a complete theoretical description of NV center relaxometry for several types of magnetic materials (ferromagnetic and antiferromagnetic systems), we indicate what physical parameters can be measured in each situation, when this technique will experimentally work, and how it depends on the sample anisotropy. We found that relaxation rates using ferromagnetic systems peak at certain values of the external magnetic field, where both NV center and sample resonate simultaneously, something that does not happen when using antiferromagnets because of their high resonance frequency. In this way, NV center relaxometry allows us to extract information about the spin waves of the system. Finally, we discuss prospects to non-intrusively probe magnetic properties and phase transitions in ferrimagnetic systems, in triangular-lattice antiferromagnets, such as Cs2CuCl4 and in 2D materials.
- ItemChemistry in externally FUV illuminated protoplanetary disks in the Orion Nebula Cluster(2022) Díaz Berríos, Javiera Katalina; Guzmán Veloso, Viviana; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaUnderstanding the chemical composition and distribution of the birthplaces of planets (protoplanetary disks) is key to constraining the initial conditions of planet formation and planetary atmospheres. Most protoplanetary disks are born in stellar clusters and can therefore be affected by the radiation of nearby massive stars. However, little is known about the potential differences or similarities in the chemistry of isolated versus externally irradiated disks. Motivated by this question, we present ALMA Band 6 observations of two protoplanetary disks in the outskirts of the Orion Nebula Cluster (ONC) to explore the chemical composition of disks exposed to (external) FUV radiation fields: the large 216–0939 disk and the binary system 253–1536A/B. We successfully detect lines from CO isotopologues, HCN, H2CO, and C2H toward both protoplanetary disks. Undetected molecular lines include DCN and C3H2. Based on the observed disk–integrated line fluxes and flux, we do not find significant differences between isolated and irradiated disks. This suggests that these sources are far enough from the ONC so that their chemistry is not affected by the external radiation field or that we are observing the region from the disk that survives the external radiation; Indeed, these disks are massive and could, therefore self–shield from the radiation field. However, we expect CN emission to be brighter in irradiated disks than in isolated ones, which can be tested with future ALMA observations. We also expect stronger differences for disks that are closer to the ONC.
- ItemControl of wave-particle duality via atom-field interaction in double-slit schemes(2022) Miranda Rojas, Mario Ernesto Brayan; Orszag Posa, Miguel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaThe dual nature of light and matter represents an important challenge for science. Since the origins of quantum mechanics, several theoretical and experimental works have studied the wave and corpuscular properties of photons, atoms, electrons, etc. The main model that has been considered in the development of them has been the Young's double-slit scheme, by means of which the wave nature of light was demonstrated. However, it also can be used to obtain the particle-like properties of the systems. In case of considering identical slits, this model allows to obtain total fringe visibility on a screen located at a certain distance from the double-slit, and thus, null knowledge about the path followed by the object that crosses the scheme. Therefore, the system shows a wave behavior. In order to obtain information about the path taken by the objects (photons, atoms, electrons, etc), several authors have studied the coupling of external systems to double-slit schemes, which allows to know the path followed by the particle. As a consequence, the implementation of any type of path-detector results in the loss of fringe visibility, according to the principle of complementarity postulated by Bohr. In this research, we have considered the use of double-slit schemes and atom-field interactions to control the balance between fringe visibility and which-path information. We consider field cavities which act as path-detectors and they are represented by different quantum states. Instead of photons, our schemes are crossed by atoms, whose internal levels are correlated to the paths of the schemes. Therefore, based on the peparation of both, field and atom, we can study the balance between distinguishability, visibility and the concurrence present in the system. Our results show that the wave-particle duality can be controlled by atomic and field parameters, depending on the behavior that the experimenter wishes to observe, wave-like or particle-like. Additionally, we present a model in which a classical field can control the quantum atom-field interaction. Therefore, the amplitude of the classical field can also be considered as a controlling parameter of the wave-particle duality. Finally, based on our results, we propose a theoretical model to be implemented in quantum eraser and delayed choice experiments, which nowadays arouses great interest among researchers. Our results suggest that the wave-particle duality can be controlled even at times after the atom is registered on a screen, which allows us to choose the behavior of the system, wave-like or particle-like, at any moment.
- ItemCorrecciones termoeléctricas en el modelo sigma lineal(2023) Rojas Díaz, Cristóbal Emilio; Loewe Lobo, Marcelo Patricio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaEsta tesis consistió en la realización de cálculos correctivos a la autoenergía en el modelo sigma lineal acoplado con un campo eléctrico constante, para dos bosones en particular, el sigma y el pion neutro. Para dichos cálculos se consideró la corrección eléctrica y posteriormente electrotérmica, por lo que sólo se tomó en cuenta el efecto del loop fermiónico y del tadpole bosónico correspondiente al efecto de los piones cargados del modelo. Estos cálculos se obtuvieron en el régimen de campo débil, por lo que se expandió el propagador en series de potencias en E, correspondiente a la intensidad de campo eléctrico hasta orden E2 . Para temperatura cero se utilizó parámetros de Feynman y el programa de Mathematica para resolver las integrales que quedaron en función de dichos parámetros. Por otro lado en el caso de temperatura finita, se usó el formalismo a tiempo imaginario para obtener una integral en tres dimensiones junto con las sumas de Matsubara correspondientes, que fueron resueltas mediante dos aproximaciones: estableciendo el momento externo igual a cero y luego el límite de alta temperatura para poder calcular las integrales, por lo que el resultado obtenido para el caso termoeléctrico será solo válido para altas temperaturas.
- ItemCosmic inflation in modified models of gravity and an analysis on gravitational waves(2021) Gamonal San Martín, Mauricio; Alfaro Solís, Jorge Luis; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaThis work comprises three different lines of research related to the study of cosmological inflation and the propagation of gravitational waves. In the first issue, we developed -for the first time in a systematic way- the slow-roll approximation for a single field inflaton within the framework of f(R,T) gravity, a modified model of gravity such that the Lagrangian is a function of the scalar curvature and the trace of the energy-momentum tensor. We obtained the modified slow-roll parameters and the spectral indices by choosing a minimal coupling between matter and gravity. We computed these quantities for several models and contrasted the predictions with the constraints of the Planck data, obtaining corrections to the Starobinsky model. In the second line of research, we studied how a free Lorentz-valued bosonic 0-form coupled to Einstein-Cartan gravity's action can be considered the inflaton field. In this model, the interacting terms of the fields come directly from the torsionful contributions of the action. Hence, the inflationary dynamics can be extended so that we can define an effective potential that describes the evolution of the background fields. We found that for a particular combination of initial conditions, the model could adequately guarantee the slow-roll conditions over more than 55 e-folds. However, a more detailed analysis is required to confirm the viability of this inflationary scenario. Finally, we addressed a different problem related to the propagation of low-frequency gravitational waves coming from sources located at cosmological distances. Within the linearized regime of gravity, we performed a coordinate system transformation between a frame which origin is the source of gravitational waves and the comoving frame of the FLRW metric. Then, we studied the observational consequences in Pulsar Timing Arrays experiments, finding a non-trivial modification to the timing residual of pulsars that depends on the value of the Hubble constant.
- ItemCosmología dependiente de la escala. Revisión de los problemas de la Constante Cosmológica y de la Constante de Hubble(2023) Canales Contreras, Felipe Andrés; Loewe Lobo, Marcelo Patricio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de FísicaEn este trabajo de tesis se busca presentar algunos resultados que permitan guiar a la solución de dos de los grandes problemas de la cosmología moderna: el problema de la Constante Cosmológica y la tensión de la constante de Hubble. El primer problema consiste en que la predicción teórica para el valor de la densidad de energía del vacío es 10^120 veces mayor que la densidad de energía del vacío observada, mientras que el segundo problema se debe a la discrepancia que hay para el valor de la constante de Hubble dada por dos mediciones distintas. Para guiar a las soluciones de los problemas, se plantea una acción de gravedad Einstein-Hilbert, incorporando efectos cuánticos al considerar tal acción, como una acción efectiva con acoples gravitacionales dependientes de la escala de renormalización. Se encuentra que considerar acoples gravitacionales dependientes de la escala puede explicar un factor de 10^66 de diferencia entre la energía de vacío observada y la teórica en el problema de la Constante Cosmológica, mientras que considerar acoples gravitacionales dependientes de la escala tiene el potencial de reducir la tensión de la constante de Hubble.
- ItemDelving into the phenomenology of very special relativity: from subatomic particles to binary stars(2024) Santoni, Alessandro; Muñoz Tavera, Enrique; Koch, Benjamin; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de FísicaEn esta tesis, se investigan las implicaciones de las teorías de violación de Lorentz (LV), enfocándose en Very Special Relativity (VSR) y sus consecuencias fenomenológicas. Presentada inicialmente como un mecanismo alternativo para las masas de los neutrinos, VSR se ha convertido en una parte significativa del marco general de la LV, distinguida por su estructura de grupo y la presencia de operadores no locales.Después de una introducción exhaustiva a los principios de la LV y VSR, presentamos sus modificaciones a la ecuación de Dirac. Una parte significativa de la tesis está dedicada al desarrollo de un formalismo Hamiltoniano dentro del contexto de VSR, abordando sus no-localidades. Este enfoque se extiende al límite no relativista, conectándolo al esquema de Schrödinger.Luego establecemos límites superiores en los parámetros de VSR, examinando sus correcciones a una amplia gama de sistemas y escenarios físicos, como los niveles de Landau de partículas cargadas, el factor g de los electrones, el espectro de energía de neutrones ultrafríos en el campo gravitatorio terrestre, y la emisión gravitacional de estrellas binarias. Este último análisis nos llevó a la construcción de una teoría de campo en VSR para partículas de espín-2, que resultó acomodar una masa del gravitón gauge-invariante.Mediante este estudio, conectamos varias predicciones teóricas con datos experimentales, allanando el camino para futuras exploraciones en teorías de LV y evidenciando su potencial para abordar preguntas no resueltas en la física moderna.