För att underlätta grafikers animationsarbete har det länge varit intressant att utforska olika fysikbaserade lösningar och göra dem effektiva. Detta arbetes mål har varit att undersöka olika villkorslösare för trasdocksfysik och fastställa vilken som hade bäst balans mellan tidseffektivitet och trovärdighet. Bakgrunden presenterar tidigare forskning som arbetet bygger på och går igenom viktiga begrepp inom trasdocksfysiksimulering relaterat till funktionalitet och trovärdighet. Olika scenarier och en benchmarker utvecklades för att testa trasdocksversionerna och kortare videoklipp skapades som observerades av respondenter för att avgöra versionernas trovärdighet. Resultatet från undersökningen visade inte på någon större skillnad för trovärdigheten av versionerna, men visade en större skillnad av tidseffektivitet mellan dem. Den sammantagna bedömningen blev att versionen med tre relaxationssteg, utan prioriteringsprocess av förskjutningar hade bäst balans. För framtida arbete är det intressant att studera hur väl versionerna presterar om de körs på GPU och att lägga till självkollision för trasdockan. / <p>Det finns övrigt digitalt material (t.ex. film-, bild- eller ljudfiler) eller modeller/artefakter tillhörande examensarbetet som ska skickas till arkivet.</p>

MELO, H. P. M. Nonlinear scaling in social Physics. 2016. 66 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016. / Submitted by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-04-03T19:53:21Z No. of bitstreams: 1 2017_tese_hpmmelo.pdf: 6027888 bytes, checksum: fbf69954f131edced038058a3bad3bb2 (MD5) / Rejected by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com), reason: Mudar nome da descrição do arquivo on 2017-04-03T20:03:38Z (GMT) / Submitted by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-04-03T20:04:23Z No. of bitstreams: 1 2016_tese_hpmmelo.pdf: 6027888 bytes, checksum: fbf69954f131edced038058a3bad3bb2 (MD5) / Approved for entry into archive by Giordana Silva (giordana.nascimento@gmail.com) on 2017-04-03T20:04:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_tese_hpmmelo.pdf: 6027888 bytes, checksum: fbf69954f131edced038058a3bad3bb2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-03T20:04:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_tese_hpmmelo.pdf: 6027888 bytes, checksum: fbf69954f131edced038058a3bad3bb2 (MD5) Previous issue date: 2016 / The applications of statistical mechanics in the study of collective human behavior is not a novelty. However, in the past few decades we shaw a huge spike of interest on the study of society using physics. In this thesis we explore nonlinear scaling laws in social systems using physical techniques. First we perform data analysis and modeling applied to elections. We show that the number of votes of a candidate scales nonlinear with the money spent at the campaign. To our surprise, the correlation revealed a sublinear scaling, which means that the average “price” of one vote grows as you increase the number of votes. Using a mean-field model we find that the sublinearity emerges from the competition and the distribution of votes is causally determined by the distribution of money campaign. Moreover, we show that the model is able to reasonably predict the final number of valid votes through a simple heuristic argument. Lastly, we present our work on allometric scaling of social indicators. We show how homicides, deaths in car crashes, and suicides scales with the population of Brazilian cities. Differently from homicides (superlinear) and fatal events in car crashes (isometric), we find sublinear scaling behavior between the number of suicides and city population, which reveal a possible evidence for social influence on suicides occurrences. / As aplicações da mecânica estatística no estudo do comportamento humano coletivo não são uma novidade. No entanto, nas últimas décadas vimos um aumento enorme do interesse no estudo da sociedade usando a física. Nesta tese, utilizando técnicas da física, nós estudamos leis de escala não-lineares em sistemas sociais. Na primeira parte da tese realizamos a análise de dados e modelagem de eleições públicas. Mostramos que o número de votos de um candidato escala não-linearmente com o dinheiro gasto na campanha. Para nossa surpresa, a correlação revelou uma relação de escala sublinear, o que significa que o "preço" médio de um voto cresce à medida que o número de votos aumenta. Usando um modelo de campo médio descobrimos que a não-linearidade emerge da concorrência e a distribuição de votos é causalmente determinada pela distribuição do dinheiro gasto na campanha. Além disso, mostramos que o modelo é capaz de prever razoavelmente o número final de votos válidos através de um argumento heurístico simples. Por fim, apresentamos o nosso trabalho sobre alometria de indicadores sociais. Nós mostramos como homicídios, mortes em acidentes de carro e suicídios crescem com a população das cidades brasileiras. Diferentemente de homicídios (superlinear) e eventos fatais em acidentes de carro (isométrico), encontramos um comportamento sublinear entre o número de suicídios e a população de cidades, o que revela uma possível evidência de influência social na ocorrência de suicídios.

<p>PI by FFT har blitt implementert og sammenlignet med tre andre numeriske løsere på to 2D-modeller av partikkelakselleratorer. Løsningen med differenseskjema krever en transformasjon til den tilhørende Fokker-Planck-ligningen, som er vist i seksjon 3. Det blir også vist hvordan multiplikativ støy kan transformeres til additiv støy, og modeller i finans med mer generelle støykilder blir brukt til opsjonsprising. Kildekoden krever installasjon av det C++-baserte ROOT-rammeverket fra CERN.</p>

PI by FFT har blitt implementert og sammenlignet med tre andre numeriske løsere på to 2D-modeller av partikkelakselleratorer. Løsningen med differenseskjema krever en transformasjon til den tilhørende Fokker-Planck-ligningen, som er vist i seksjon 3. Det blir også vist hvordan multiplikativ støy kan transformeres til additiv støy, og modeller i finans med mer generelle støykilder blir brukt til opsjonsprising. Kildekoden krever installasjon av det C++-baserte ROOT-rammeverket fra CERN.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) tiene previsto aumentar su luminosidad hasta siete veces su valor actual con el objetivo de ampliar su actual programa de física. Esta mejora se conoce con el nombre de High Luminosity LHC (HL-LHC) y está prevista para el año 2024-2026. El actual Inner Detector (ID) del detector de ALTAS será completamente reemplazado por uno nuevo para ajustarse a los rigurosos requisitos que impone el HL-LHC. Nuevos detectores de píxeles están siendo investigados para su utilización en todo el ID cuando el HL-LHC entre en operación. La utilización de sensores de píxeles tipo monolítico dentro del ID de ATLAS supondría una nueva era para los detectores de píxeles en física de altas energías debido a sus muchas ventajas con respecto a las tecnologías que se usan actualmente. Las principales ventajas son: mejor resolución espacial, menor densidad, mayor rendimiento, y menor coste. En este contexto, un nuevo tipo de sensor monolítico conocido como Depleted Monolithic Active Pixel Sensor on silicon-on-insulator ha sido investigado en esta tesis. El capítulo 1 describe el LHC, el experimento ATLAS, y las mejoras previstas para el HL-LHC. Este capítulo también describe los requerimientos y desafíos del futuro Inner Detector, al ser el subdetector más cercano al punto de interacción. El capítulo 2 describe la base de los detectores de partículas en física de altas energías. Este capítulo abarca la interacción de partículas con la materia, los conceptos básicos para la construcción de un detector de píxeles, y la resolución de momento transverso, vértice, y parámetro de impacto de un detector. El capítulo 3 describe los daños que la radiación produce en detectores de silicio, tanto en la electrónica como en el sensor, cuyo impacto es crucial en el rendimiento de los detectores especialmente para experimentos en el HL-LHC. El capítulo 4 revisa la evolución y tendencias en detectores de pixeles, abarcando desde los ya bien establecidos pixel híbridos, hasta los CMOS píxeles. La sección dedicada a los CMOS píxeles describe los diferentes tipos que se están considerando en ATLAS: High resistivity CMOS, high voltage CMOS, y monolíticos CMOS-on-SOI. Este ultimo compone el núcleo de estudio de esta tesis y es descrito en detalle. Los siguientes capítulos detallan el programa de caracterización y medidas realizado en el contexto de esta tesis. El capitulo 5 se centra en la caracterización del daño creado por la radiación en la electrónica hasta las dosis esperadas en el ID de ATLAS durante su operación en el HL-LHC. Las propiedades del detector, como son las corrientes de fuga, el cociente entre señal y ruido, la colección de carga y la profundidad de depleción, son descritas en el capitulo 6. El Capítulo 7 describe la caracterización de sensores monolíticos CMOS-on-SOI en un haz de piones, donde la colección de carga, el reparto de carga entre píxeles, la resolución espacial, y la eficiencia son discutidas. Este trabajo concluye con un resumen, con vistas al futuro de las tecnologías monolíticas CMOS-on-SOI en la física de altas energías. / A major upgrade of the Large Hadron Collider (LHC) called High Luminosity LHC (HL-LHC) is scheduled for 2024-2026. This will lead to an increase of the luminosity by seven times the current value and to the extension of the currently ongoing physics programme. A completely new Inner Detector for the ATLAS experiment needs to be developed to withstand the extremely harsh environment at the HL-LHC. New pixel detector concepts are being investigated as a possible candidate to the inner and outer layers of the HL-LHC ATLAS Inner Detector. The use of monolithic pixel sensors in the ATLAS Inner Tracker would lead to a new era of pixel detectors as a consequence of its many advantages with respect to the current technologies. The achievement of smaller spatial resolution, lower density, bigger production yield and throughput, and smaller budget cost are the main arguments to pursue this technology. In this context, a novel Depleted Monolithic Pixel Active Detector built on a thick film Silicon-On-Insulator has been fully investigated in this thesis. Chapter 1 introduces LHC and the ATLAS experiment as well as their foreseen scenarios at the HL-LHC upgrade. This naturally motivates the stringent requirements and challenges of the closest sub-detector to the interaction point, the Inner Detector. Chapter 2 describes the basis of a tracking detector for high energy physics applications, detailing the interactions of particles with matter to the formation of a pixel detector from a semiconductor material. Then the momentum, vertex, and impact parameter resolution of a tracking detector are calculated leading to a set of requirements for the detector design. Chapter 3 describes the radiation damage in silicon detectors whose impact to the detector performance is crucial specially for HL-LHC experiments. The radiation damage in the electronics and in the silicon bulk is treated. Chapter 4 revises the current developments and trends on pixel detectors from the well established hybrid pixel technologies to the commercial CMOS pixels. The commercial CMOS pixels section describes the current technologies being considered at ATLAS: high resistivity, high voltage CMOS (currently built as hybrid and as monolithic), and monolithic CMOS-on-SOI. The latter one composes the core of study of this thesis and is described in great detail. The final chapters are dedicated to the description of the validation programme performed to the CMOS-on-SOI technology, together with characterization methods used, measurements performed, and results analysis description. Chapter 5 focuses on the measurements performed to characterize the radiation hardness of the technology against the ionizing radiation expected in the HL-LHC ATLAS detector. The crucial charge collection properties to fulfil the ATLAS detector requirements were measured and are described in Chapter 6. These measurements include leakage current, signal-to-noise ratio, collected charge, and depletion depth on unirradiated and irradiated samples. Additionally, different techniques as radioactive sources, pion beams, and laser beams were used in order to calculate the depletion depth. Chapter 7 describes the characterization of the monolithic CMOS-on-SOI in a pion beam test. The measured charge collection, charge sharing, spatial resolution, and tracking efficiency are discussed. Within the summary, an outlook towards the future of depleted monolithic active pixel sensors on silicon-on-insulator technology for high energy physics is presented.

¿Es el Modelo Estándar (Standard Model o SM) de las partículas elementales completo? Al parecer, la respuesta es “no”. Un gran número de teorías intentando dar respuestas a preguntas como por ejamplo cuál es la naturaleza de la materia oscura, o cuál es la razón por la que el bosón de Higgs es tan ligero, han sido propuestas. Ahora que el Large Hadron Collider (LHC) en el CERN está en pleno funcionamiento, experimentos como ATLAS son capaces de explorar regímenes de muy alta energía, donde se puede testear la presencia de nueva física. El trabajo presentado en esta tesis consta de dos análisis diseñados para descubrir (o excluir) la existencia de una nueva partícula: un quark similar al quark top (la partícula más pesada del SM), “top-like”, pero con una masa mucho más alta. Este nuevo quark exótico podría ser una simple réplica del quark top del SM, sólo mas masivo, es decir, una cuarta generación quiral de up-type quark, o podría tener una naturalez aún más exótica. Esta última hipótesis es particularmente interesante ya que muchas extensiones del SM predicen nuevos quarks llamados “vectoriales”. Ambas búsquedas están basadas en el análisis de una muestra parcial de los datos acumulados por el experimento ATLAS en colisiones protón-protón durante el año 2012. Estos resultados están documentados en dos notas públicas (ATLAS-CONF-2013-018 y ATLAS-CONF-2013-060) y en la actualidad se están actualizando con las estadísticas completas. Estos análisis también son parte de un esfuerzo combinado de diferentes equipos de investigación dentro del grupo de trabajo ATLAS Exóticos, encaminados a explorar diferentes escenarios de quarks vectoriales, incluidos la posible existencia de un quark vectorial compañero del quark botom. El primer análisis descrito se centra en la producción de parejas de quarks vectoriales top-like que se desintegran en un bosón W y un quark bottom, de manera similar al quark top. En este caso, la características cinemáticas del proceso de desintegración, como el hecho de que el bosón W resultante es más energético en el caso del quark pesado, son explotadas para reconstruir la masa de la partícula y discriminar entre una posible señal de nueva física y el fondo de los procesos del Modelo Estándar. El segundo análisis descrito tambien estudia la producción de pares de quarks vectoriales top-like, pero requiriendo al menos uno de ellos desintegrándose en el bosón de Higgs del SM y un quark top. En este caso la reconstrucción de la masa de la partícula es extremadamente difícil debido a la presencia de un gran número de chorros de hadrones (jets), resultando en un elevado fondo combinatorio. Esta dificultad da lugar a la adopción de una estrategia completamente diferente, involucrando la construcción de una variable discriminante sensible a múltiples modos de desintegración de la pareja de quarks top-like, y explotando el hecho de que son pocos los procesos del SM que pueden producir tal multiplicidad alta de jets, muchos de los cuales proceden de quarks bottom. Ambos búsquedas son complementarias e independientes entre sí de modo que es posible combinarlas y realizar un análisis cuasi independiente del modelo, lo que resulta en las cotas más estrictas existentes sobre la masa de un quark vectorial top-like. De hecho, esta partícula con una masa en el rango de entre 350 GeV y 550 GeV (casi hasta 600 GeV) ha sido excluída con un nivel de confianza del 95%, independientemente del modelo. Bajo la suposición de que dichos quarks vectoriales son singletes de isospin, la exclusión en masa se extiende hasta 670 GeV. / Is our Standard Model (SM) of the fundamental particle interactions complete? Apparently, the answer is “no”. Many theories have been proposed to explain what is currently not understood, like the nature of Dark Matter, or the reason why the Higgs boson is so light. Now that the Large Hadron Collider (LHC) at CERN is fully operational, it is possible for experiments like ATLAS to explore very high-energy regimes where new physics can be probed. The work presented in this dissertation consists of two analyses aimed at the discovery (or exclusion) of a signal from a new particle: a quark similar to the top quark (the heaviest particle of the Standard Model) but with a larger mass. This new “top-like” quark could be a simple replica of the SM top quark, just with higher mass, i.e. a chiral fourth-generation up-type quark, or it could have exotic features. The latter hypothesis is particularly interesting as many “beyond-Standard Model” theories predict new heavy so-called vector-like quarks. Both searches rely on a partial dataset of proton-proton collisions collected by the ATLAS experiment during the year 2012. These results are documented in two ATLAS public notes (ATLAS-CONF-2013-018 and ATLAS-CONF-2013-060) and are currently being updated with the full statistics. They are also part of a combined effort of different research teams within the ATLAS Exotics working group to explore additional signatures, including those from heavy vector-like bottom partners. The first analysis described focuses on pair production of heavy top-like quarks decaying into a W boson and a bottom quark, exactly like the top quark. In this case kinematic features of the decay process, namely the fact that the W boson from the heavy top will receive more boost than the W boson from the top, are exploited to reconstruct the mass of the particle and discriminate between a signal from new physics and background from Standard Model processes. The second analysis instead studies pair production of heavy top-like quarks, with at least one of them decaying into a Standard Model Higgs boson and a top quark. Here the complete reconstruction of the mass of the particle is difficult, since many jets are present in the final state, resulting in a high combinatorial background. This apparent disadvantage is instead used to build a discriminating variable sensitive to multiple decay modes of the heavy top-like pair, and exploiting the fact that few Standard Model processes can produce such high jet multiplicity, many of which originate from bottom quarks. Both searches are and kept independent from theoretical assumptions and orthogonal to each other so that it is possible to combine them and perform a quasi-model independent analysis, resulting in the most stringent limits on the mass of the heavy vector-like top partner. Indeed, this particle is excluded at 95% CL, independently on the model, for masses from 350 GeV and up to 550 GeV (almost up to 600 GeV). If instead an assumption on the model is made and vector-like tops are considered to be singlets of isospin, then we are able to exclude them at 95% CL for masses up to 670 GeV. A previous analysis that was performed in 2011 on data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV and that set the strategy for vector-like quark searches is not detailed in this dissertation but is documented in a paper published on Phys. Lett. B 718 (2013) 1284

El uso de imágenes de UltraSonidoIntraVascular (IVUS) para la extracción de información cuantitativa sirve de gran ayuda en el diagnóstico y tratamiento de vasos arteroscleróticos. En la actualidad, esta clase de análisis es realizado por los médicos en forma semi-empírica, sin tomar en cuenta los principios que rigen la generación de la imagen, de la misma manera que tampoco se toma en cuenta la evolución temporal de la pared del vaso. Este hecho empobrece el uso de esta técnica, debido a que el análisis y la interpretación de las imágenes se basa sólo en los valores de los niveles de gris y en el comportamiento morfo-geométrico estático de la pared del vaso.Tomando en cuenta esta carencia técnica y conceptual, hemos dividido esta tesis doctoral en cuatro vías de investigación: La primera, está referida al trabajo experimental, que tiene como objetivo justificar nuestras hipótesis principales. En segundo lugar, hemos desarrollado e implementado un modelo básico de simulación con el propósito de obtener datos IVUS en forma sintética. En tercer lugar, hemos desa-rrollado una nueva metodología general que nos permite estimar desde el punto de vista del catéter el comportamiento cinemático de la pared del vaso y finalmente hemos propuesto un modelo genérico que permite obtener la reconstrucción geométrica del vaso en 2.5D. El trabajo experimental fue hecho con corazones de cerdo y de ternera, enfocándose principalmente a estudiar la micro-arquitectura de la pared del vaso y su modificación geométrica debido a parámetros externos. Hemos analizado por separado y desde el punto de vista de imágenes IVUS, la evolución morpho-geométrica de la pared del vaso en los cortes longitudinales, debido a la presión pulsátil radial y a una rotación externa inducida al corazón de experimentación. El análisis dinámico realizado fue extrapolado a una muestra de 30 casos clínicos llevados a cabo por el Laboratorio de Hemodinámica del "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" de Badalona-España en cooperación con Boston Scientific-USA.En lo que se refiere al modelo de simulación para obtener data IVUS 2D, está basado en los principios básicos de transmisión y recepción de ondas de sonido de alta frecuencia, al penetrar éstas radialmente una estructura arterial simulada. Hemos hecho una validación extensiva, comparando imágenes simuladas y reales, contrastando con la opinión de expertos quienes han delineado manualmente la configuración real de las capas del vaso. Para este propósito, definimos procedimientos que permiten extraer parámetros cuantitativos para medir similitudes globales y locales en las imágenes obtenidas. El modelo tiene diferentes utilidades. Primero, expertos médicos, así como investigadores en el área de visión, pueden generar imágenes simuladas con el objetivo de observar diferentes estructuras arteriales de interés clínico y compararlas con la distribución de niveles de gris en imágenes reales. Segundo, investigadores y médicos pueden usar nuestro modelo para aprender y comparar la influencia de los diferentes parámetros físicos en la formación de imágenes IVUS. En tercer lugar, este modelo puede servir para generar grandes bases de datos sintéticas bajo diferentes condiciones y parámetros de adquisición, para ser usadas en la validación de la robustez de técnicas de procesamiento de imágenes.La tercera área de investigación que hemos abordado en esta tesis doctoral, ha sido el desarrollo de un modelo geométrico y cinemático, que tiene como propósito estudiar la evolución de la pared de las arterias coronarias desde el punto de vista del catéter. El modelo está basado en resultados experimentales los cuales demuestran que la evolución de la pared arterial en una secuencia de IVUS, puede ser modelada asumiendo dos contribuciones principales, que provienen de diferentes razones físicas: la primera contribución, es causada por propiedades geométricas intrínsecas de la arteria y la segunda contribución proviene de la dinámica oscilante del ventrículo. Estas contribuciones gobiernan en mayor grado la apariencia de los perfiles de la pared arterial en las vistas longitudinales. Usando estas afirmaciones, hemos generado las estrategias metodológicas con el propósito de estimar y suprimir las distorsiones dinámicas de las secuencias de IVUS.La nueva formulación conceptual nos permite separar las contribuciones geométricas que dependen de la arquitectura intrínseca de la pared del vaso de las contribuciones dinámicas procedentes del movimiento del corazón. Finalmente, y dado que esta separacion es posible, hemos generado las bases fundamentales para la reconstrucción 2.5D del vaso desde el punto de vista del catéter, solamente haciendo uso de datos de IVUS. Esta metodología también podría usarse como una técnica alternativa que permite estimar la dinámica del corazón dado que el modelo contiene en forma explícita los parámetros necesarios para cuantificarla. En este sentido, se provee en esta tesis de una nueva posibilidad que permite potenciar la técnica IVUS como herramienta de exploración y de diagnóstico médico. / Extraction of quantitative information from (IVUS) images is very helpful for the diagnosis and treatment of atherosclerotic vessels. At the moment, this kind of analysis is carried out manually by physicians without taking into account the ultrasonic signal principles of the image grey level generation and the temporal evolution of vessel wall. This fact leads to a simplified use, analysis and interpretation of IVUS images based only on the grey level values of image pixels and vessel wall static morpho-geometric behavior. In this sense, this PhD thesis has been divided in four research ways: First one, experimental work, that has as objective to justify our principal hypothesis. Second one, we developed a basic simulation model, with the purpose to obtain IVUS data in a simulated way. Third one, we developed general methodology that allows to estimate from catheter point of view the vessel wall kinematics behavior. Finally we proposed a generic model to obtain 2.5D IVUS vessel reconstruction. The experimental work was done using pig and calf healthy heart and was focused on the vessel wall micro-architecture analysis studying its temporal evolution when external parameters were varying. We have analyzed separately from IVUS images point of view (using longitudinal cuts), the vessel wall morpho- geometric evolution, due to radial pulsatile pressure and an induced external rotation done to the experimentation heart. The dynamical analysis that was done was extrapolated to a study sample of 30 clinical cases studied by "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" of Badalona Spain in cooperation with Boston Scientific USA.In the second research way, we developed an IVUS simulation model to obtain 2D IVUS data based on the basic transmission and reception properties of high frequency sound waves, when these radially penetrate a simulated arterial structure. We discuss an extensive validation, comparing simulated and real images, and contrasting the expert opinion respect to the manually delineation of real vessel layers, to test its usability. To this purpose, we define procedures to extract quantitative parameters that permit to measure the global and local similarity of the images obtained. The model has different utilities: Firstly, medical expert and computer vision researchers can generate simulated IVUS images in order to observe different arterial structures of clinical interest and their grey level distribution in real images. Secondly, researchers and doctors can use our model to learn and to compare the influence of different physical parameters in the IVUS image formation. Third, this model can generate large database of synthetic data under different device and acquisition parameters to be used to validate the robustness of image processing techniques.In the third research line, we develop a geometric and kinematic model in order to study the evolution of coronary artery wall from catheter point of view. The model is based on experimental results which demonstrate that the evolution of the arterial wall, can be modelled assuming two principal contributions that come from different physical reasons. The first one, a systematic contribution caused by geometric intrinsic arterial properties and the second one, an oscillating contribution that comes from ventricle dynamics. These contributions govern in major degree the profiles appearance of arterial wall in longitudinal views. Using these assumption we generate the methodological strategies in order to estimate and suppress IVUS dynamical distortions. The new conceptual formulation allows to separate geometric contribution that depends on intrinsical vessel wall micro-architecture from dynamical contribution that comes from heart movement. Finally, being possible this separation, we generated the fundamental basis to $2.5D$ vessel reconstruction from catheter point of view, only using IVUS data. This methodology can be used as alternative technique to evaluate the dynamic of the heart, due to the fact that model dependence has explicitly the parameters to be estimated. In this way, we provide in this PhD thesis a new possibility that allows to give new potential to the IVUS technique as an exploratory and medical diagnostic tools.

Esta tesis doctoral se centra en la aplicación de la física estadística del no equilibrio al estudio de problemas ecológicos de diferente naturaleza. En primer lugar se desarrollan modelos teóricos para explicar la formación de patrones de vegetación en algunas regiones donde el agua es escasa, prestando especial atención al papel que juegan las interacciones entre plantas. En la segunda parte se abordan problemas de búsqueda en los que los individuos son capaces de comunicarse entre sí. El objetivo es comprender el comportamiento de las gacelas que habitan la estepa centroasiática. En un último capitulo se estudia el efecto que tiene un medio externo cuyos características cambian en el tiempo sobre distintas propiedades de los ecosistemas. Situando problemas de tan diversa naturaleza en un marco común se pretende mostrar el poder de la física estadística como herramienta interdisciplinar. / This thesis focuses on the application of nonequilibrium statistical physics to different ecological problems. In the first part we study the formation of vegetation patterns in water-limited systems, emphasizing the role of nonlocal interactions among plants. In the second part we develop mathematical models to explain the collective searching behavior in some animal species, where individuals communicate among them. The objective of this chapter is to build the theoretical tools to study foraging behavior in Mongolian gazelles, which is the aim of the next chapter. Finally, the effect of environmental variability on the robustness and evolution of ecosystems is studied. Studying problems of different nature within the common framework provided by statistical physics we aim to show its relevant role as an interdisciplinary tool.

Almost two centuries after the first observations of Robert Brown, the study of systems ruled by noise has become a significant part of modern physics and other so diverse situations, such as the stock market, personal networks, ecosystems, etc. In particular, we focus on the so-called small systems, where the thermal fluctuations determine the dynamics and energetics of the system. Examples of this scale are biopolymers, such as DNA or RNA, molecular motors, living cells or colloidal particles in suspension. As the energy exchanges between a small system and its environment are of the order of magnitude of thermal fluctuations, apparent violations of the classical laws of thermodynamics appear. We have studied the role of noise in biological and physical systems. As the main experimental tool we have used the optical tweezers technique, which allows one to exert forces in the pN range, as well as to spatially confine the studied objects improving the accuracy of the experiments. A highly focused laser beam creates a time and space controllable optical potential profile. This permitted to investigate noise assisted effects in different scenarios. Two biological systems were considered, namely, single DNA molecule and single bacterium. We showed that the motion of the stretched DNA molecule in the entropic regime (forces below 5 pN) includes an additional noisy component whose spectral power is proportional to 1=f . The presence of this noise may be related with changes of the probability of folding and unfolding events when the DNA strand is extended. On the other hand, we studied the trajectory of single bacteria, whose motion includes inherently noisy components. Using a novel technique with only one optical trap we measured the dynamics of a trapped single bacterium S. enterica. We found that the trajectory within a single trap can reveal the different behavior of the samples. In addition to the validation of our technique, we have characterized the phenotype of mutant cheV in anaerobic conditions. In the second part of the thesis, we studied stochastic thermodynamic using a micron-sized dielectric sphere.The control of the temperature in such experiments has a key importance to understand the energetics of the small systems. We suggested a novel technique to control the kinetic temperature of a sphere by applying of an external force with the same power spectral density (PSD) as one of the thermal noise. We experimentally tested our hypothesis in equilibrium, measuring the position histogram and PSD of the microsphere, and out of equilibrium, implementing a protocole to test Crooks theorem. We conclude that our technique allows one to control the kinetic temperature of a Brownian particle over a wide range of values, from room temperature to several thousand Kelvin with high temporal accuracy. The most obvious application of this technique is the realization of nonisothermal processes. Among them, an adiabatic process is essential although controversial in small systems. We study its meaning in a colloidal particle experiment, paying attention to the consequences of the overdamped approximation. Finally, we could realize for the first time the Carnot cycle, using a colloidal particle in a liquid as a working substance. The effect of the thermal bath is also present in the thermodynamics of information. In the last chapter, we considered the derivation of an universal equivalence between the energetics of a process and the probability of a system to choose it among other options. The obtained expression can be considered a generalization of the Landauer limit. We tested our theory in an experiment where a continuous transition from a single well to a double well potential produces a symmetry breaking affecting a Brownian particle. Moreover, combining two of the process, we were able to achieve the first realization of a Szilard engine based on symmetry breaking and symmetry restoration. / Casi dos siglos después de la observación de Robert Brown, el estudio de sistemas gobernados por ruido se ha convertido en una parte significativa de la física moderna. Con el objetivo de obtener información, y de tratar de predecir, sistemas complejos, se han trazado analogías en situaciones muy diversas, tales como el mercado de valores, las relaciones interpersonales, los ecosistemas, etc. En particular, si nos detenemos en los denominados como sistemas pequeños, podemos observar como las fluctuaciones térmicas determinan su dinámica y su energética. Al tratarse de sistemas cuyos intercambios de energía con el entorno son del orden de magnitud de las fluctuaciones, podemos observar aparentes violaciones de las leyes clásicas de la termodinámica. Ejemplos de esta escala son las diversas biomoléculas como el ADN o el ARN, los diversos motores moleculares o una célula en su conjunto, pasando por partículas coloidales en suspensión. Para el estudio de los sistemas mesoscópicos, hemos usado la técnica de la pinza óptica, la cual nos permite ejercer fuerzas del orden de picoNewtons con resolución nanométrica. Por medio de un haz fuertemente enfocado, podemos crear un potencial óptico donde objetos con índice de refracción mayor que el del medio son atrapados. En esta tesis hemos estudiado el rol del ruido en sistemas biológicos y en sistemas físicos. En primer lugar, observamos que la dinámica estacionaria de una molécula individual de ADN en el régimen entrópico (fuerzas por debajo de 5 pN) muestra una componente espectral que sigue una ley de potencias 1=f . Por otra parte, también estudiamos la trayectoria de bacterias bajo una única trampa óptica. La bacteria elegida fue la Salmonella enterica, en diversas mutaciones para poder fijar su fenotipo. En particular, además de validar la técnica, caracterizamos el fenotipo del mutante cheV en condiciones anaeróbicas. El control de la temperatura en experimentos de partículas coloidales es de una importancia clave para completar la energética de los sistemas pequeños. A pesar de que existen métodos para variar la temperatura del fluido, estos cambios están siempre acotados por límites físicos, como evaporación, y sufren de inconvenientes, como convección y cambios de la viscosidad del fluido, que impiden un estudio cómodo de los procesos no isotermos. Enunciamos una hipótesis muy sencilla: nuestra partícula coloidal es incapaz de diferenciar entre el ruido térmico y un fuerza externa de la misma naturaleza. Comprobamos que nuestra hipótesis es correcta en equilibrio y no equilibrio, por medio del estudio del histograma de posiciones, del PSD e implementando un protocolo donde poder estudiar el teorema de Crooks. La aplicación más obvia de esta técnica es la realización de procesos noisotermos. Dentro de ellos, es imprescindible la aproximación al concepto de adiabaticidad, tan presentes en la termodinámica clásica. Siendo imposible rodear de paredes adibáticas nuestro sistema, desarrollamos los diversos protocolos sugeridos durante los últimos 10 años en la literatura. Como colofón, desarrollamos el primer ciclo de Carnot experimental con partículas coloidales. El efecto del baño térmico también se encuentra presente en la termodinámica de la información. En el último capítulo de la tesis, desarrollamos una expresión analítica que relaciona la probabilidad de llevar a cabo un proceso con la energía que se puede extraer del baño térmico durante el mismo. Esta expresión puede considerarse una generalización del principio de Landauer. Gracias a la flexibilidad que nos presta el AOD para generar potenciales ópticos, comprobamos la relación con un experimento con partículas coloidales. Para terminar, presentamos un motor de Szilard con partículas coloidales, el cual permite obtener trabajo del baño térmico a través de la información disponible sobre el sistema.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・論文博士 / 工学博士 / 乙第1492号 / 論工博第307号 / 新制||工||132(附属図書館) / 2404 / UT51-45-O75 / (主査)教授 岡村 健二郎, 教授 奥島 啓弐, 教授 会田 俊夫 / 学位規則第5条第2項該当