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A 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 Física
Objective: 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.
A 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 Física
Proton 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.
A search for substructures near the Galactic plane and bulge using RR Lyrae stars as tracers
(2024) Cristi Cambiaso, Nicolas Eduardo; Catelan, Marcio; Zoccali, Manuela; Pontificia Universidad Catolica de Chile. Faculty of Physics. Institute of Astrophysics
Usando estrellas pulsantes de tipo RR Lyrae, hacemos una búsqueda de subestructuras Galácticas ("stellar streams" y cúmulos globulares) en la región del plano Galáctico. Construimos una muestra de estrellas RR Lyrae con valores de distancia y metalicidades. Estudiamos esta muestra con un algoritmo de "clustering" para encontrar grupos de estrellas cercanas y con propiedades similares. Mediante esta búsqueda, recuperamos estructuras conocidas y encontramos posibles nuevas estructuras.
A 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 Física
Chicken 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.
Aplicación de Análisis Armónico Para la Estimación de los Autovalores del Laplaciano
Cádiz Carvajal, Rodrigo Esteban; Benguria Donoso, Rafael; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
En 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.
Atrapamiento 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 Física
Las 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.
Búsqueda 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 Astrofísica
El 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.
Búsqueda 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 Física
En 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.
Caracterización 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 Física
Los 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.
Caracterización 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 Física
El 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.
Caracterización 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 Física
En 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.
Categorisation 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 Física
This 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.
Characterization 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 Física
Relaxometry 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.
Chemistry 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 Física
Understanding 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.
Correcciones termoeléctricas en el modelo sigma lineal
(2023) Rojas Díaz, Cristóbal Emilio; Loewe Lobo, Marcelo Patricio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
Esta 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.
Cosmic 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 Física
This 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.
Cosmología 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 Física
En 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.
Desarrollo de un modelo clínico-radiómico de aprendizaje automatizado, para la predicción de respuesta a la quimioterapia neoadyuvante en pacientes con cáncer de mama.
(2024) Soto Moreira, Macarena Cecilia; Caprile Etchart, Paola F.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
El cáncer de mama es el tipo de cáncer mas frecuente en mujeres. Aunque existen diversas estrategias de tratamiento, no se dispone de herramientas clínicas para poder predecir con certeza la respuesta de cada paciente a distintas opciones de tratamiento, lo cual motiva este estudio. El trabajo realizado consistió en la implementación de una herramienta para la predicción de la respuesta patológica en pacientes con cáncer de mama tratadas con quimioterapia neoadyuvante. Se utilizaron dos cohortes de imágenes de resonancia magnética con peso T1 (T1w) y con contraste (DCE) previas al tratamiento, una para entrenamiento y evaluación de los modelos predictivos, y la otra para validación externa. Estos cohortes se adquirieron de manera independiente de un repositorio abierto y contaban con información sobre el tipo de respuesta patológica de las pacientes a la quimioterapia neoadyuvante. Para el cohorte de entrenamiento, se realizo una segmentación manual por experto y una semiautomática del parénquima de la mama con el tumor y la lesión. Los resultados de ambos métodos fueron comparados usando el coeficiente de Dice . El cohorte de validación externa incluía la segmentación del tumor realizada por un experto. A partir del proceso de segmentación de tejidos, se extrajeron y analizaron características radiómicas de los volúmenes de interés. Se busco determinar que características presentaban diferencias estadísticamente significativas entre pacientes con respuesta completa y no completa. Se construyeron modelos de aprendizaje automatizado utilizando diferentes clasificadores, incluyendo regresión logística, arboles de decisión, maquinas desoporte vectorial, clasificador bayesiano y vecinos cercanos, con el objetivo de predecir la respuesta tumoral. El desempeño de los modelos se evaluó mediante una validación cruzada con k=2 y 100 repeticiones. Al comparar la segmentación manual y semiautomática del tumor se obtuvo un valor promedio del coeficiente de Dice de 0.635 [0.402-0.857]. Se identificaron un total de 16 características con diferencias significativas, las cuales incluyeron características radiómicas, cinéticas y de subtipo molecular. Estas características no presentaron correlaciones significativas entre sí y obteniéndose un valor máximo de AUC de 0.825. Del análisis de rendimiento de los modelos multivariados, se encontró que el modelo basado en el algoritmo de Vecinos Cercanos (KNN), utilizando la combinación de características: Correlation (Lesión), Skewness (Lesión), Idmn (Lesión), Kurtosis (Peak Enhancement), Kurtosis (Wash-In-Slope) y HER2, presentó el mejor rendimiento en términos de la métrica AUC, obteniéndose un valor de 0.951 [0.890-0.994] para el entrenamiento y en la validacion interna AUC de 0.984. En la validación externa del algoritmo con un cohorte independiente de 81 pacientes, se obtuvo un valor de AUC de 0.955 en la predicción de la respuesta tumoral. Estos resultados demuestran la capacidad de generalización y reproducción del modelo en un conjunto de pacientes independiente.
Dinámica fuera del equilibrio de polaritones en cavidades QED
(2021) Tancara Álvarez, Diego Andrés; Orszag Posa, Miguel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
Los sistemas cuánticos basados en interacción de luz con materia en el régimen de acoplamiento fuerte sirven como plataformas físicas para estudiar dinámicas coherentes e incoherentes de estados cuánticos. Esto permite un amplio rango de parámetros de control que son ajustables experimentalmente y permiten explorar simulaciones cuánticas de sistemas físicos de muchos cuerpos, propagación de correlaciones cuánticas, y procesamiento de información cuántica. En esta tesis se estudia, mediante simulaciones numéricas, la dinámica de estados cuánticos de naturaleza híbrida entre átomo y fotón que describen cuasipartículas conocidas como polaritones. Estos se estudian en una y dos cavidades QED fuera del equilibrio. Primero, exploramos cuatro escenarios en donde establecemos condiciones para la transición entre ramas de polaritones, incluyendo mecanismos puramente coherentes en sistemas cerrados y mecanismos incoherentes correspondientes a procesos de decaimiento de la cavidad. Para los mecanismos coherentes obtenemos una condición para el cambio en el tiempo del detuning observando una oscilación de Rabi entre las ramas de polaritones de un mismo nivel. Luego aplicamos lo obtenido para estudiar curvas de transición de estados tipo Aislante-Mott y Superfluido en distintos tipos de dinámicas. Para los mecanismos incoherentes observamos una asimetría dependiente del detuning en las ramas de polaritones durante el proceso de relajación, lo que permite un cambio de rama en el proceso. Finalmente incluimos un bombeo externo para controlar oscilaciones de Rabi entre las ramas de polaritones a un mismo nivel.
Dosimetría cardiaca y correlación con peor sobrevida en pacientes con cáncer de mama
(2024) Montoya Janampa, Julio Manuel; Caprile Etchart, Paola F.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
La radioterapia (RT) es una herramienta fundamental para combatir el cáncer de mama (CM). Para el año 2020 en Chile, la mayoría de los tratamientos de CM incluyeron RT (Sung et al., 2021). Sin embargo, evidencia reciente sugiere que las altas dosis administradas al corazón y sus subestructuras están asociadas a posibles cardiopatías y pueden resultar en un exceso de mortalidad (Díaz-Gavela et al., 2021; Banfill et al., 2021). El objetivo es estudiar la correlación entre la dosis administrada a diferentes subestructuras cardíacas y la supervivencia en el tiempo, e identificar umbrales de dosis predictivos de mortalidad temprana en una cohorte local de pacientes con CM tras la RT.Se empleó un programa open source (Finnegan et al., 2017) para segmentar automáticamente el corazón, sus cavidades, los grandes vasos, sus válvulas, las arterias coronarias y los nodos de conducción en imágenes CT de planificación para 188 pacientes control y 53 pacientes fallecidas, quienes fueron tratadas con RT curativa para CM en la Red de Salud UC-Christus. Se obtuvieron la dosis media y máxima, equivalente en fracciones de 2 Gy (EQD2), y el histograma de dosis-volumen para cada subestructura y regiones cardíacas combinadas. Además, el score de calcio se estimó utilizando un método de umbralizado (Agatston et al., 1990). Se realizaron análisis de supervivencia usando el score de calcio, la información clínica y los parámetros dosimétricos de las regiones cardíacas.El análisis de regresión multivariado mostró que la dosis máxima en la región cardíaca combinada que incluye los ventrículos bilaterales (Gy), el score de calcio (CAC), la etapa del cáncer T (I/II vs III/IV) y la quimioterapia (sí vs no) fueron factores significativos asociados con la supervivencia a través del tiempo en nuestra cohorte, con hazard ratios de 1,02 (95% CI 1,00-1,03; p = 0,0195), 1,05 (95% CI 1,02-1,07; p < 0,001), 4,66 (95% CI 2,51-8,64; p < 0,001) y 2,31 (95% CI 1,08-4,93; p = 0,0309), respectivamente, mientras que la dosis media cardíaca, V5 y V30 no mostraron significancia. Además, se trazaron curvas de supervivencia Kaplan-Meier para un seguimiento de 5 años, demostrando que la cohorte que recibió una EQD2 máxima en la región combinada superior a 30 Gy mostró una supervivencia más baja (log-rank p = 0,0062).La aplicación de esta metodología en pacientes con CM valida a la dosis máxima en los ventrículos bilaterales como importante predictor de muerte prematura. Se obtuvo una EQD2 máxima de 30 Gy como límite de dosis para futuras investigaciones.Palabras clave: Cáncer de mama, Radioterapia, Cardiotoxicidad

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