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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.
Amorphous materials under stresses: understanding critical behavior
(2022) Villarroel Cortés, Carlos Javier; Düring, Gustavo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
Gran 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.
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.
Aspects of quantum gravity in AdS3/CFT2
(2019) Reyes Raffo, Ignacio Andrés; Erdmenger, Johanna; Koch, Benjamin; Bañados, Máximo; Ströhmer, Raimund; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
The quest for finding a unifying theory for both quantum theory and gravity lies at the heart of much of the research in high energy physics. Although recent years have witnessed spectacular experimental confirmation of our expectations from Quantum Field Theory and General Relativity, the question of unification remains as a major open problem. In this context, the perturbative aspects of quantum black holes represent arguably the best of our knowledge of how to proceed in this pursue. In this thesis we investigate certain aspects of quantum gravity in 2 + 1 dimensional anti-de Sitter space (AdS3), and its connection to Conformal field theories in 1 + 1 dimensions (CFT2), via the AdS/CFT correspondence. We study the thermodynamics properties of higher spin black holes. By focusing on the spin-4 case, we show that black holes carrying higher spin charges display a rich phase diagram in the grand canonical ensemble, including phase transitions of the Hawking-Page type, first order inter-black hole transitions, and a second order critical point. We investigate recent proposals on the connection between bulk codimension-1 volumes and computational complexity in the CFT. Using Tensor Networks we provide concrete evidence of why these bulk volumes are related to the number of gates in a quantum circuit, and exhibit their topological properties. We provide a novel formula to compute this complexity directly in terms of entanglement entropies, using techniques from Kinematic space. We then move in a slightly different direction, and study the quantum properties of black holes via de Functional Renormalisation Group prescription coming from Asymptotic safety. We avoid the arbitrary scale setting by restricting to a narrower window in parameter space, where only Newton’s coupling and the cosmological constant are allowed to vary. By one assumption on the properties of Newton’s coupling, we find black hole solutions explicitly. We explore their thermodynamical properties, and discover that very large black holes exhibit very unusual features.The quest for finding a unifying theory for both quantum theory and gravity lies at the heart of much of the research in high energy physics. Although recent years have witnessed spectacular experimental confirmation of our expectations from Quantum Field Theory and General Relativity, the question of unification remains as a major open problem. In this context, the perturbative aspects of quantum black holes represent arguably the best of our knowledge of how to proceed in this pursue. In this thesis we investigate certain aspects of quantum gravity in 2 + 1 dimensional anti-de Sitter space (AdS3), and its connection to Conformal field theories in 1 + 1 dimensions (CFT2), via the AdS/CFT correspondence. We study the thermodynamics properties of higher spin black holes. By focusing on the spin-4 case, we show that black holes carrying higher spin charges display a rich phase diagram in the grand canonical ensemble, including phase transitions of the Hawking-Page type, first order inter-black hole transitions, and a second order critical point. We investigate recent proposals on the connection between bulk codimension-1 volumes and computational complexity in the CFT. Using Tensor Networks we provide concrete evidence of why these bulk volumes are related to the number of gates in a quantum circuit, and exhibit their topological properties. We provide a novel formula to compute this complexity directly in terms of entanglement entropies, using techniques from Kinematic space. We then move in a slightly different direction, and study the quantum properties of black holes via de Functional Renormalisation Group prescription coming from Asymptotic safety. We avoid the arbitrary scale setting by restricting to a narrower window in parameter space, where only Newton’s coupling and the cosmological constant are allowed to vary. By one assumption on the properties of Newton’s coupling, we find black hole solutions explicitly. We explore their thermodynamical properties, and discover that very large black holes exhibit very unusual features.The quest for finding a unifying theory for both quantum theory and gravity lies at the heart of much of the research in high energy physics. Although recent years have witnessed spectacular experimental confirmation of our expectations from Quantum Field Theory and General Relativity, the question of unification remains as a major open problem. In this context, the perturbative aspects of quantum black holes represent arguably the best of our knowledge of how to proceed in this pursue. In this thesis we investigate certain aspects of quantum gravity in 2 + 1 dimensional anti-de Sitter space (AdS3), and its connection to Conformal field theories in 1 + 1 dimensions (CFT2), via the AdS/CFT correspondence. We study the thermodynamics properties of higher spin black holes. By focusing on the spin-4 case, we show that black holes carrying higher spin charges display a rich phase diagram in the grand canonical ensemble, including phase transitions of the Hawking-Page type, first order inter-black hole transitions, and a second order critical point. We investigate recent proposals on the connection between bulk codimension-1 volumes and computational complexity in the CFT. Using Tensor Networks we provide concrete evidence of why these bulk volumes are related to the number of gates in a quantum circuit, and exhibit their topological properties. We provide a novel formula to compute this complexity directly in terms of entanglement entropies, using techniques from Kinematic space. We then move in a slightly different direction, and study the quantum properties of black holes via de Functional Renormalisation Group prescription coming from Asymptotic safety. We avoid the arbitrary scale setting by restricting to a narrower window in parameter space, where only Newton’s coupling and the cosmological constant are allowed to vary. By one assumption on the properties of Newton’s coupling, we find black hole solutions explicitly. We explore their thermodynamical properties, and discover that very large black holes exhibit very unusual features.
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 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.
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.
Correcciones magnéticas a las longitudes de scattering π-π en el modelo sigma lineal
(2018) Monje Apablaza, Leandro; Loewe Lobo, Marcelo Patricio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
En este trabajo se consideran las correcciones magnéticas a las longitudes de scattering en el marco del modelo sigma lineal. Para esto se consideraron todas las correcciones a un loop en los canales s, t y u, asociados a la inserción del propagador de Schwinger correspondiende a piones cargados, trabajando en el régimen de valores pequeños para el campo magnético. Este cálculo se basa en una expansión acorde para el propagador, resultando en que la longitud de scattering líder, t = 0 en el canal s, aumenta a medida que el campo magnético crece, en caso de isospín I = 2, mientras que el efecto opuesto se aprecia para el caso I = 0. La simetría de isospín es válida debido a que la inserción de campo magnético ocurre a través del valor absoluto de la carga eléctrica. Notamos, además que el canal I = 1 no recibe correción alguna. Además se ha de destacar que este resultado para los canales I = 0 y I = 2 es contrario respecto a las correciones térmicas para las longitudes de scattering halladas previamente en la literatura.
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 ray tests for the QS1 module of the new small wheel in the ATLAS experiment -and- prospects on the search for heavy vector triplet bosons in the leptonic decay channels with the ATLAS experiment at the HL-LHC
(2018) Rivera Vergara, Juan Cristóbal; Ochoa-Ricoux, Juan Pedro; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
The ATLAS detector at the LHC, CERN, will be upgraded after the current data taking period (Run 2). The ATLAS detector has to under go a series of upgrades in order to fulfill the needed performance at improved LHC conditions. The LHC will stop for the second time between 2019-2020, period of time during which the ATLAS detector is going to upgrade its muon subdetector. This upgrade is the New Small Wheel (NSW), which will replace part of it send cap muon spectrometer. The NSW will be comprised of two detection systems, the Micro Megas and the small-strip Thin Gap Chambers (sTGC), the latest is being constructed in Chile by a joint collaboration between PUC and UTFSM. After the construction, the chambers are tested before being shipped to CERN. The muon detection efficiency is calculated using cosmic muons. A trigger system is used as part of the setup, which checks for coincidences between plastic scintillator arrays placed on top and below the detectors in order to distinguish muons from background signals. A DAQ system is used to callibrate the electronics and measure muon hits. The whole system has been set up and has already been used to test one module that was successfully sent to CERN and integrated into the first wedge. Prospects were made for searches for new heavy SSM Z and W bosons at the last stage of the LHC (2024-2032), called High Luminosity LHC (HL-LHC), which is expected to run at √s = 14 TeV and collect 3000 fb−1 of data. These studies are based on MC simulations, and are used as benchmark for other models. The response of the upgraded ATLAS detector as well as pile-up collisions were simulated. SSM Z bosons are searched for in the dilepton final states, where it is expected to observe a signal with a more than five significance value at an invariant mass of 6.4 TeV, and exclude masses up to 6.5 TeV. SSMW0 bosons are searched for in the lepton plus neutrino final state, where itis expected to observe a signal with a more than five significance value at an invariant mass of 7.7 TeV, and exclude masses up to 7.9 TeV.
Delving 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 Física
En 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.
Desarrollo de hidrogeles a base de óxido de grafeno y cobre para usos en tratamiento de aguas
(2022) Acuña Porras, Camilo; Díaz, Donovan; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
En el presente trabajo se modificó químicamente (grado de oxidación) y morfológicamente (tamaño de lámina) láminas de óxido de grafeno (GO) en solución sintetizado por método de Hummers modificado, además se sintetizó partículas de cobre (PCu) como refuerzo, posteriormente se crecieron hidrogeles con GO (GOH) y PCu (Cu-GOH) por vía hidrotermal. Con los hidrogeles se realizaron pruebas de adsorción de azul de metileno (AM) disuelto en agua, con el fin de determinar correlaciones entre las características químicas, estructurales y morfológicas de los hidrogeles con la capacidad y cinética de adsorción del AM como impureza del agua. La modificación química se realizó variando la cantidad del agente oxidante y el tipo de grafito de partida en la síntesis de GO. Esta modifico el grado oxidación y la distribución de grupos funcionales del GO, estudiado por espectroscopía XPS. Se encontró una reducción de los grupos funcionales oxigenados (OFG) al variar la cantidad de KMnO4, además de un punto de saturación en que el KMnO4 no influía en la química del GO. También se observó el efecto del tipo de grafito en la formación de hidrogeles, cuando se usó grafito amorfo este no se formó en contraposición a el grafito laminado donde se formó el hidrogel. La modificación morfológica consistió en un pretratamiento de sonicación a distintos intervalos de tiempo 30min, 60min, 90min, 120min, 180min y 240min en la síntesis de GO (in-situ). Y postratamiento de sonicación a distintas potencias comprendidas entre 50 y 200 W, y a tiempos de exposición de 5 y 10 minutos del GO sintetizado en solución (Post síntesis). El grado de oxidación y OFG se analizaron por los espectros de alta resolución (C1s y O1s) XPS, determinando que la sonicación del GO no presenta modificaciones significativas en la distribución de OFG y una consistencia en su grado de oxidación (relación C:O). Adicionalmente, el tamaño de lámina promedio se obtuvo por procesamiento de imágenes AFM, Para la solución de GO base encontró un valor entre 25040 - 33516 nm2 ; Para pretratamiento in-situ 57120 - 37220 nm2 ; Y post síntesis 5410 - 13620nm2 . Se observó que el tiempo de sonicación afecta el tamaño de lámina para el tratamiento in-situ como para el post síntesis. Los hidrogeles crecidos vía hidrotermal mostraron una estructura porosa (entrecruzamiento de láminas de GO) en la superficie por imágenes SEM. Químicamente se observó por los espectros de alta resolución C1s y O1s de XPS un proceso de reducción de los OFG por la síntesis hidrotermal. También la incorporación PCu afecto la morfología (interacción de láminas de GO con CuP), estructura (cambios de fases cristalinas de PCu) y química (Oxidación de PCu y reducción del GO) del hidrogel. Las pruebas de adsorción de AM se hicieron con dos concentraciones iniciales una de 1.2 mg⁄L para los hidrogeles modificados y con PCu Y de 100 mg⁄Lpara hidrogeles con la solución GO base (sin modificación morfológica y química), y condiciones de agitación y temperatura. El hidrogel con GO base y con PCu adsorben el AM eficientemente comparado a los modificados. Los hidrogeles bajo condiciones de temperatura y agitación tienen una capacidad de adsorción entre 21.99—38.45 mg⁄g. Estos hidrogeles, se analizó la cinética de adsorción mediante dos modelos, Pseudo-First Order (PFO) y Pseudo-Second Order (PSO), inicialmente la adsorción mostro que la remoción del tinte se produce por fisisorción dado los valores termodinámicos (entalpia, energía libre de Gibbs y entropía).
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.
Determinación de dosis absorbida periférica a través de simulaciones Monte Carlo : evaluación de los algoritmos de cálculo en el planificador comercial Monaco®
(2018) Rodríguez Mongua, José Luis; Dörner Yaksic, Edgardo Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
Se ha realizado la simulación Monte Carlo en EGSnrc del acelerador lineal Axesse de Elekta para la obtención de distribuciones de dosis tanto dentro como fuera del campo de radiación de un haz de 6 MV. Dicha simulación ha sido validada por comparación con medidas experimentales. Posteriormente, el modelo Monte Carlo de EGSnrc del acelerador fue aplicado a la evaluación del comportamiento de los algoritmos Collapsed Cone y Monte Carlo de Monaco® en el escenario de una planificación clínica de un tratamiento de pulmón con tres campos sobre el maniquí computarizado masculino del ICRP110. Para lograr este objetivo hubo que transformar el formato original del maniquí ICRP en otro compatible con EGSnrc y con el DICOM que admite el sistema de planificación comercial, así como segmentar las estructuras para el cálculo de la dosis a órgano. La comparación de los resultados se realizó a partir de diversas métricas derivadas de los histogramas dosis volumen. Se encontró que la simulación Monte Carlo de EGSnrc para estimación de dosis periférica, debe ser realizada sin el uso de técnicas de reducción de varianza como el DBS puesto que esto altera de forma importante el computo de dosis fuera del campo. Los resultados obtenidos revelan que Collapsed Cone infraestima la dosis en un 40% cercano al borde del campo (arrastrando la falta de veracidad del sistema dosimétrico empleado en el comisionamiento) y que ambos algoritmos pueden llegar a subestimar la dosis en órganos alejados del borde del campo en más de un 80%. Sin embargo, en general Collapsed Cone reporta valores más cercanos al Monte Carlo de EGSnrc excepto en puntos muy alejados del campo de tratamiento y alineados con el isocentro. El hecho de que Collapsed Cone tenga un mejor comportamiento general puede deberse a que el Monte Carlo de Monaco fue optimizado para tratamientos con modulación de la fluencia.
Deviations of the leptonic branching ratios of the heavy Higgs in the MSSM with broken R-parity
(2018) Méndez Leiva, Andrés; Díaz, Marco A.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
We performed a phenomenological study of the leptonic decay modes of a heavy Higgs in a supersymmetric scenario which we called the ϵλ-MSSM, in which we added ϵ-bilinear and λ-trilinear terms to break R-parity explicitly, constrained by the most recent neutrino experimental data. In particular, we explored the possibilityof decreasing the coupling associated to the τ τ mode, in order to reduce the large number of events predicted by other typical R-parity conserving (RpC) models to justify the non-observation of any heavy scalar resonance, while opening regions of the parameter space which were previously excluded. We also study the possibility of enhancing the µµ mode due to its importance in future experimental searches. We found that even with a loose cosmological bound given by the sum of the neutrino masses, the deviations for the τ τ mode are smaller than a 1%, while for the µµ mode it can be up to 50%. However, once we constrained our parameters to reproduce the most recent neutrino observables associated with neutrino oscillation, we found that the deviations attained in each mode are extremely small, leading to deviations of ∼ 0.0001% for the µµ mode and ∼ 0.0000000001% for the τ τ model, making the ϵλ-MSSM indistinguishable from the RpC-MSSM case in the leptonic channels.
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
Dynamics of laser-produced annular plasmas and laboratory astrophysics experiments with magnetically-driven rotating plasmas
(2018) Valenzuela Villaseca, Vicente; Favre Domínguez, Mario; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
This thesis is separated in two different parts, in which two different plasma experiments are studied. In Part I we studied the dynamics of a plasma plume produced by focusing ring-like laser beams produced by a Nd:YAG 3.5 ns FWHM, 1064 nm wave length laser beam focused using the combination of an axicon prism and a focusing lens onto a solid target. The experiments were carried in two different regimes of background gas pressure, ring radius and materials. Additionally the effects of a static, external magnetic field produced by NeFeB permanent magnets on the propagation of the plume were studied. Firstly, titanium plasmas in 80 mTorr argon (Ar) background were studied using a 50 ns time resolution intensified CCD capturing the optical self-emission of the plasma. Resulting from the expansion of the annular plume a central stagnation column was observed to form in ∼ 80 ns, propagating on axis at characteristic velocity ∼ 105−6cm/s. Following the propagation of the jet, the formation of a planar shock produced by the interaction of the plasma with the background gas was observed. This configuration changes in characteristic timescales ∼ 500 ns, once the central column can no longer be observed and the planar shock transitions into a bow shock. The velocity of the plume is not considerably modified by the presence of the field, however the shape of theplume and persistence in time of the radiance of the plasma was affected. These results are ascribed by the effects of magnetic confinement and single particle trajectories, respectively. Additionally, gradients in radiance along the shock suggest temperature gradients perpendicular to the density gradients imposed by the shock. Secondly, carbon in ∼ 0.1−1.0 atm Ar experiments were carried. A neutral shock produced by the rapid expansion of the plasma is observed. Interpreted as the action of the stagnation column within the blast wave, it is observed a bubble leading the axial propagation of the shock wave, thusforming an asymmetric shock. It propagates at characteristic velocity ∼ 105cm/s and observedto be dominated by the presence of neutrals rather than plasma. However, strong electron density gradients are observed within the downstream. Part II is focused on magnetically-driven rotating plasmas. We employed a modified Z pinch configuration consisting of a cylindrical 16 mm radius, 10 mm height arrangement of 8, 40 µm diameter aluminium wires, which are angularly perturbed by 8 1 mm diameter steel rods used asreturn posts, as a load of the MAGPIE pulsed power generator (1.2 MA, 240 ns) based at Imperial College London. As a consequence of the off-axis implosion ablation stream, a seemingly rotating Z pinch the subsequent emission of a jet. The rotation is indirectly evidenced by difference in the expected diffusion times required to fill the hollow centre of the rotating plasma estimated ∼ 25ns and the life time of such structure > 100 ns. The density of this plasma is estimated ∼ 1018−21cm−3 and it has characteristic circulation velocity ∼ 106−8cm/s. The jet is estimated to have anaxial velocity ∼ 106−7cm/s. It has a high-degree of collimation and reaches a length ≥ 1.6 cm.This experiment is framed within the field of Laboratory Plasma Astrophysics, which allow usto reproduce and isolate features of astrophysical systems in table-top experiments. A rigorous derivation of the similarity criteria to scale one environment to the other, namely laboratory to astrophysical, based upon the single-fluid magneto hydrodynamic formalism is given, obtaining the dimensionless parameters of the systems and their explicit relation with the dynamical evolution of them. Further more, a novel method to estimate error bars in such parameters is presented. According to the estimations benchmarked by the data, the plasma flows within this experiment sare scale invariants, therefore they are comparable to other scale invariant systems, which is the case for astrophysical environments, as dissipation is dynamically negligible.
Efectos de la escala de Planck en un Modelo Majorón Seesaw Tipo-II modificado
(2023) Mite Calibar, Nelly Stefanía; Muñoz Tavera, Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
El Modelo Estándar es una de las teorías más exitosas dentro de aquellas que describen los fenómenos físicos, siendo capaz de describir con gran precisión las interacciones entre las partículas fundamentales que conforman la materia. Sin embargo, ha dejado algunas preguntas abiertas, por ejemplo, no ha sido capaz de explicar, en su formulación actual, la masa de neutrinos y la existencia de la materia oscura. A consecuencia de esto, constantemente se estudian diferentes formas de modelos más allá del modelo estándar para intentar dar explicaciones a estos fenómenos. Extensiones al modelo estándar se han llevado a cabo de diversas maneras, dentro de las cuales podemos encontrar los modelos seesaw y de Majorones. En ambos, se intenta proponer una explicación para la generación de masas de neutrinos. En los modelos seesaw se plantea la existencia de partículas mediadoras más pesadas en la generación de masas de neutrinos, mientras que en los modelos de tipo Majorón relacionan el rompimiento del número leptónico (LN) al origen de éstas mismas. En la presente investigación, se estudió un modelo de Majorón en régimen Seesaw Tipo-II modificado a la escala de Planck, donde se han incluido un singlete y triplete escalar en adición al doblete de Higgs del modelo estándar. Nuestra principal motivación radica en que, si los neutrinos son partículas masivas de tipo Majorana, entonces el número leptónico necesariamente se rompe. En este caso, la simetría global del número leptónico se rompe espontáneamente, debido a que los campos escalares adquieren un valor de expectación del vacío no nulo. Esto, además, resulta en la aparición de un bosón de Goldstone sin masa en nuestra teoría, el Majorón, J. En el modelo Majorón-seesaw tipo-II no hay rompimiento explícito de simetrías, ya que el rompimiento se produce de manera espontánea debido a los campos que adquieren un valor de expectación del vacío distinto de cero. Sin embargo, surge la interrogante acerca de si al inducir términos producto de efectos gravitacionales no perturbativos en la teoría, el Majorón podría convertirse en un candidato viable a materia oscura. En el modelo original, el Majorón corresponde a un bosón de Goldstone, lo que implica que es una partícula sin masa. No obstante, en nuestra extensión, la presencia de 13 nuevos operadores de dimensión 5, suprimidos por la escala de Planck, inducidos en el potencial escalar de nuestro modelo, generan correcciones a la masa de J. Las contribuciones provenientes de estos operadores son pequeñas, debido a esta supresión por la escala de Planck. Lo anterior, junto a las restricciones impuestas al espacio de parámetros y los diferentes filtros, nos conduce a que las masas obtenidas para el Majorón se encuentran en el rango keV-MeV. Se realizaron búsquedas en el espacio de parámetros del modelo extendido, donde se encontró que para que el Majorón sea un buen candidato a materia oscura es necesario que sea estable o que posea un tiempo de vida lo suficientemente grande, comparable con la edad del universo. El Majorón, en principio, puede interactuar con los neutrinos a nivel árbol, pero este acoplamiento es pequeño, por lo que el tiempo de vida de Majorones decayendo a neutrinos sería considerable. Por otra parte, también hemos tomado en cuenta el decaimiento a un loop de Majorones a fotones y de Majorones a electrones, al analizar un espacio de parámetros donde se obtuvieron masas suficientes para abrir este canal de decaimiento. De acuerdo a esto, se encontró que el tiempo de desintegración total de Majorones cumple con el requisito de superar la edad actual estimada del universo. Para las distintas búsquedas del espacio de parámetros, se encontró que el rango de masas para el Majorón, compatible con todas las restricciones y filtros impuestos en el modelo, corresponde a 10−9 GeV < m J < 10−2 GeV. Valores que dependen principalmente del vev del singlete, en el rango 10 6 GeV < v1 < 10 10 GeV. Respecto de otros parámetros fundamentales del modelo, hallamos que 10−4 GeV < v3 < 7 GeV y 10−9 < κ < 10−5, quienes cumplen un rol importante en la magnitud de las masas de los campos principalmente tripletes, H±, H±±, A y h2, cuyos valores se encuentran entre 10 2 GeV < m < 10 5 GeV. Para concluir, se estudió la producción de Majorones en el universo temprano mediante el mecanismo de freeze-in, considerando diferentes filtros al espacio de parámetros, mostrando que la abundancia de Majorones encontrada es compatible con la densidad fósil de materia oscura conocida en el universo.

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