El quark top, descubierto en 1995 en los experimentos CDF y D0 en el colisionador protón-antiprotón Tevatron en Fermilab (Chicago, USA), es la partícula elemental más pesada conocida, con una masa comparable a la de un átomo de tungsteno. Esta propiedad, no explicada por el Modelo Estándar, confiere al quark top un papel especial en el contexto de modelos teóricos más allá del Modelo Estándar, muchos de los cuales predicen nuevas partículas que se acoplan preferentemente al quark top debido a su alta masa. Después de una década de estudios en el Tevatron (2001-2011), no se han descubierto indicios significativos de nueva física en las propiedades del quark top. La única excepción es la medida de la asimetría adelante-atrás en la producción de parejas top-antitop en colisiones protón-antiprotón en el Tevatron, donde se han encontrado un exceso de aproximadamente dos desviaciones estándar con respecto a la predicción del Modelo Estándar. Esta medida indica que en promedio los quarks top en sucesos top-antitop se producen en la dirección del haz de protones con mayor frecuencia que los quarks antitop. Aunque el Modelo Estándar predice una pequeña asimetría adelante-atrás debido a la interacción fuerte, la presencia de nuevas partículas pesadas contribuyendo a la producción de parejas top-antitop podría dar lugar a un exceso como el observado. Por desgracia, tras el cese de operaciones del Tevatron en Septiembre del 2011, el análisis de todos los datos de los experimentos CDF y D0 no han permitido alcanzar una conclusión definitiva con respecto a esta anomalía. Esta tesis doctoral está centrada en la medida de precisión de la asimetría de carga en la producción de parejas top-antitop en colisiones protón-protón en el LHC usando las muestras completas de datos acumulados por el detector ATLAS a energías del centro de masas de 7 TeV y 8 TeV, correspondientes a luminosidades integradas de aproximadamente 5 fb-1 y 20 fb-1, respectivamente. La asimetría de carga AC en el LHC, relacionada con la asimetría adelante-atrás en el Tevatron, es sensible a los mismos efectos de nueva física que causarían una desviación en las medidas del Tevatron. En esta tesis doctoral se utiliza el canal semileptónico para hacer medidas inclusivas y diferenciales de la asimetría de carga en sucesos top-antitop. La cinemática de producción de la pareja top-antitop es reconstruida a partir del productos de la desintegración semileptónica y un metodo de unfolding bayesiano es utilizado para estimar AC al nivel partónico. Usando los datos a 7 TeV, se ha alcanzado una precisión 1% en la medida de la asimetría de carga a nivel inclusivo. También se han realizado medidas diferenciales en función de la masa invariante, ángulo de producción con respecto al eje del haz de protones y momento transverso de la pareja top-antitop. Usando los datos a 8 TeV, la precisión obtenida es de 0.5% en la medida de la asimetría de carga a nivel inclusivo, y también se ha realizado la medida diferencial en función de la masa invariante de la pareja top-antitop. La comparación de todas las medidas con las predicciones teóricas indican consistencia con el Modelo Estándar. / The top quark, discovered in 1995 at the CDF and D0 experiments at Fermilab’s Tevatron proton-antiproton collider, is the heaviest known elementary particle, with a mass comparable to the atomic mass of tungsten. This property, not explained by the Standard Model (SM), gives a special role to the top quark in the context of theoretical models beyond the Standard Model. Many of the models predict that new particles would preferably couple with the top quark, due to its high mass. After a decade of studies at the Tevatron (2001-2011), no signs of new physics have been discovered in the properties of the top quark, with the exception of the forward-backward asymmetry in top quark pair production, where an excess of about two standard deviations from the SM prediction has been found. This measurement shows that, in average, the top quark in top-antitop events is produced in the proton direction more often than the antitop quark. Even though the SM predicts a small forward-backward asymmetry due to the strong interaction, the presence of new heavy particles contributing to the top-antitop pair production could cause the observed excess. Unfortunately the Tevatron operation terminated on September 2012, and the analysis of the full datasets collected by the CDF and D0 experiments did not provide a final answer with respect to this anomaly. This dissertation describes the precise measurement of the charge asymmetry AC in top-antitop pair production in proton-proton collisions at LHC, using the full dataset collected with the ATLAS detector at center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, corresponding to integrated luminosities of about 5 fb-1 and 20 fb-1, respectively. The LHC charge asymmetry, related to the Tevatron forward-backward asymmetry, is a complementary probe of the same new physics effects that could be responsible for the Tevatron excess. The lepton+jets channel is considered to perform inclusive and differential measurements of the charge asymmetry in top quark pair events. The kinematics of the top-antitop pair is reconstructed from the semileptonic decay products, and a Bayesian unfolding procedure is employed to estimate AC at the parton level. Using the dataset at 7 TeV, a 1% precision is achieved for the inclusive measurement. Differential AC measurements as a function of the invariant mass, the rapidity and the transverse momentum of the top-antitop pair are also presented. Using the dataset at 8 TeV, a 0.5% precision is achieved for the inclusive measurement, and the differential AC measurement as a function of the invariant mass of the top-antitop pair is performed as well. All measurements are found to be consistent with the SM predictions.

En esta tesis se ha abordado la caracterización de sensores LSPR refractométricos desde diferentes puntos de vista. En primer lugar, se presenta un análisis teórico y experimental de nanocápsulas cilíndricas (nanorods) de oro, comparando su capacidad sensora con sensores SPP convencionales. El estudio ha conducido al hallagzo de una región espectral con rendimiento sensor optimizado, y a la que se puede acceder llevando a cabo un diseño preciso y detallado de las nanoestructuras. Por otro lado, el análisis desvela un rendimiento superior de los LSPR comparado con los convencionales SPP, con atisbos de mejoras adicionales si se superan ciertos inconvenientes inherentes a estas plataformas biosensoras. De cara a identificar y suprimir estos inconvenientes, se han empleado matrices de nanodiscos de oro como nanoestructura modelo. En primer lugar, se han analizado las influencias negativas que se derivan de las finas capas metálicas de adhesión y de los altos índices de refracción del sustrato que soporta a los nanodiscos. Se ha demostrado que la elección adecuada del material y del espesor de estas capas de adhesión mejora significativamente la relación señal-ruido. Además, mediante la colocación de los nanodiscos sobre nanopilares dieléctricos, alejándolos del sustrato, se han obtenido incrementos significativos de sensibilidad, proporcionando así una estrategia que se puede extender fácilmente a otros sistemas plasmónicos. Se ha demostrado, por otro lado, que estas matrices de nanodiscos soportan un modo guiado, que, además de otras aplicaciones nanofotónicas interesantes, provoca un cambio en la radiación en campo lejano de estas estructuras que causa mejoras en sensibilidad y en la relación señal-ruido. Por último, se han combinado todos los conocimientos adqueridos y resultados obtenidos para esbozar la creación de un biosensor LSPR con funciones de multiplexado y con microfluídica integrada. / In this dissertation, different aspects of refractometric nanoplasmonic sensors are discussed. First, a theoretical and experimental sensing performance assessment is made of Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) sensors based on single gold nanorods, by directly comparing them to conventional thin film Surface Plasmon Polariton (SPP) sensors. Besides the discovery of a material-specific optimized spectral sensing region that can be accessed via precise nanoparticle engineering, this work reveals a better biosensing performance for LSPR sensors that can be further improved if certain - inherent - drawbacks are overcome. For this, arrays of gold nanodisks are used to identify and suppress such drawbacks. First, negative influences that stem from thin metal adhesion layers and the high refractive indices of the supporting substrate are analyzed. It is shown that the right choice of material and thickness for these adhesion layers, significantly improves the signal-to-noise ratio (S/N)-values of these biosensors. Besides, by placing the nanodisks on nanopillars, thereby distancing them from the substrate, much higher sensitivities can be obtained, providing a strategy that can be easily expanded to other plasmonic systems. Next, it is demonstrated that the employed arrays of gold nanodisks support a guided mode that besides other interesting nanophotonics applications, alters the far-field radiation of these nanoplasmonic structures in such a manner, that both enhanced sensitivities and improved S/N-ratios are obtained. Finally, combining all gathered knowledge, a road map is sketched towards the creation of a LSPR sensor with multiplexing capabilities and integrated microfluidics.

Durante las últimas décadas un gran número de trabajos se han centrado en la implementación de plataformas lab-on-chip compactas y de alta sensibilidad, para una amplia gama de aplicaciones descentralizadas. Los dispositivos basados en óptica integrada se han revelado como candidatos prometedores, ya que combinan una alta sensibilidad en ensayos directos sin marcadores, con una fabricación de bajo coste a través de la tecnología estandar microelectrónica, permitiendo su producción en masa. En particular las configuraciones interferométricas han demonstrado las prestaciones superiores, en términos de resolución y límite de detección, en comparación con otros dispositivos de óptica integrada como los resonadores o las redes de difracción. Sin embargo, la complejidad en la interpretación de su señal de respuesta, consecuencia de su periodicidad con las variaciones de fase, dificulta su comercialización y su adopción en la práctica clínica. Para resolver las limitaciones de los biosensores interferométricos tradicionales y permitir una integración completa en una plataforma lab-on-chip, se ha estudiado teórica y experimentalmente un nuevo método para la linearización de la señal de salida. Este método se basa en la variación de la longitud de onda de emisión de la fuente láser, que se traduce en una modulación de fase. A fin de mantener una plataforma compacta y rentable, la modulación se introduce aprovechando la dependencia entre la longitud de onda y la potencia de los diodos láser comerciales. El método se ha aplicado a dos plataformas, los interferometros Mach-Zehnder y de guía de onda bimodal, desarrollados en el grupo de investigación donde se ha realizado este trabajo. Los sensores interferométricos modulados en longitud de onda permiten una lectura directa en tiempo real y sin ambigüedades, con una alta sensibilidad tal y como requieren las aplicaciones biosensoras en ámbitos reales. / During the last decades impressive efforts have been devoted to the implementation of compact and highly sensitive lab-on-chip platforms for a wide range of decentralized applications. Among optical devices, those based on integrated optics have been underlined as promising candidates since they combine a high sensitivity in a label-free approach with a cost-effective fabrication through standard Si microfabrication technology, rendering in potential mass production. In particular interferometric arrangements have shown superior performances in terms of resolution and limits of detection compared to other integrated optics solutions as resonators or grating structures. However the complexity of their read-out, consequence of the periodicity of the output signal with the phase variation, still hinders their successful commercialization and adoption in the clinical practice. In order to solve the limitations of standard integrated interferometric biosensors and to allow a complete integration onto a lab-on-chip platform, an innovative method for linearization of the interferometric output is theoretically and experimentally analyzed. The proposed phase modulation system is based on tuning of the emission wavelength of the laser source. In order to keep a compact and cost-effective platform, the wavelength modulation is introduced by taking advantage of the power-wavelength dependence of commercial laser diodes. Thanks to our research Group experience in the design and fabrication of integrated optical biosensors, two different platforms have been analyzed along this Thesis, namely the well-known Mach-Zehnder interferometer and the recently proposed Bimodal Waveguide interferometric biosensors. The wavelength modulated interferometric biosensors allow a direct, unambiguous, highly sensitive real-time read-out, as required by real biosensing applications.

La litografía por haz de electrones (Electron Beam Lithography, EBL) se ha consolidado como una de las técnicas más eficaces que permiten definir motivos en el rango nanométrico. Su implantación ha permitido la nanofabricación de estructuras y dispositivos para su uso en el campo de la nanotecnología y la nanociencia.La EBL se basa en la definición de motivos submicrónicos mediante el rastreo de un haz energético de electrones sobre una resina. La naturaleza de los electrones y el desarrollo the haces extremadamente finos y su control preciso establecen la plataforma ideal para los requerimientos de la Nanofabricación. El uso de la EBL para el desarrollo de un gran número de nanoestructuras, nanodispositivos y nanosistemas ha sido, y continúa siendo, crucial para las aplicaciones de producción de máscaras, prototipaje o dispositivos discretos para la investigación fundamental. Su éxito radica en la alta resolución, flexibilidad y compatibilidad de la EBL con otros procesos de fabricación convencionales. El objetivo de esta tesis es el avance en el conocimiento, desarrollo y aplicación de la EBL en las areas de los micro/nanosistemas y la nanoelectrónica. El presente documento refleja parte del trabajo realizado en el Laboratorio de Nanofabricación del Instituto de Microelectrónica de Barcelona IMB-CNM-CSIC durante los últimos cinco años. Debido a la falta de experiencia previa en el IMB en la utilización de la EBL, ha sido necesario el desarrollo y consolidación de una serie de procesos, lo que ha condicionado parcialmente la investigación, tal y como recoge la memoria.Entre los aspectos relevantes compilados en esta tesis, en cuanto a innovación tecnológica, cabe destacar diversos avances en procesos tecnológicos basados en la EBL. Una nueva resina de tono negativo ha sido caracterizada y disponible para su uso en nanofabricación. La optimización de la EBL se ha llevado a cabo mediante métodos de corrección del efecto de proximidad. Se ha establecido el proceso de integración de estructuras nanomecánicas en circuitos CMOS, así como la fabricación de dispositivos basados en nanotubos de carbono. En concreto, el primer FET basado en un sólo nanotubo de carbono fabricado en España. Finalmente, la compatibilidad y viabilidad de los métodos de fabricación basados en haces de partículas se ha estudiado mediante el análisis del efecto de los haces de partículas cargadas sobre dispositivos. Por otro lado, esta memoria no sólo contiene la descripción de los principales resultados obtenidos, sinó que pretende aportar información general sobre procesos de nanofabricación basados en haces de electrones para ser utilizados en futuras investigaciones de este area. / Electron beam lithography (EBL) has consolidated as one of the most common techniques for patterning at the nanoscale meter range. It has enabled the nanofabrication of structures and devices within the research field of nanotechnology and nanoscience. EBL is based on the definition of submicronic features by the scanning of a focused energetic beam of electrons on a resist. The nature of electrons and the development of extremely fine beams and its flexible control provide the platform to satisfy the requirements of Nanofabrication. Use of EBL for the development of a wide range of nanostructures, nanodevices and nanosystems has been, and continues to be, crucial for the applications of mask production, prototyping and discrete devices for fundamental research and it relies on its high resolution, flexibility and compatibility with other conventional fabrication processes.The purpose of this thesis is to advance in the knowledge, development and application of electron beam lithography in the areas of micro/nano systems and nanoelectronics. In this direction, this memory reflects part of the work performed at the Nanofabrication Laboratory of the IMB-CNM. Since there was no previous experience on EBL at CNM, the need for developing a set of processes has determined partially the work. The variety of topics that concern to nanoscience and nanotechnology is enormous. Chapter 1 briefly sintetizes nanoscale related aspects. This section aims to frame the contents of this thesis, coherently. Also for completeness, it is intended to address the specific subjects under discussion or contained in the following chapters and it is based or oriented to the experimental results that will be presented.Chapter 2 is a general overview of the EBL technique from the point of view of the system and the physical interaction of the process. In particular, the characteristics of the SEM and specifications of the lithographic capabilities of the system that is used are presented.In chapter 3, irradiation effect on resists is studied. The chemical behaviour of different polymeric materials is correlated with theoretical simulations for two types of resists: methacrylic based positive resists and epoxy based negative resists. The first is used for validation of the modelization and to describe the general performance of EBL on different conditions. The second covers the experiments oriented to establish the performance parameters of a new resist and comparison with another existing negative electron beam resist. Proximity effect correction concludes with the correlation of theory and experimental results for both types of resists, positive and negative.Chapter 4 is an example of the fabrication and optimization of a micro/nanosystem for sensing at the nanoscale. In particular, nanoresonators are developed with two approaches (EBL and FIB) and enhanced response is achieved by their integration on CMOS circuitry.Chapter 5 presents carbon nanotube (CNT) based devices that are realized and implemented for applications in nanoelectronics and sensing. First, different fabrication approaches for contacting CNTs are discussed. Then, the results of electrical characterization of the devices are presented. Finally, technology development for the use of these devices for sensing is established.The last chapter embraces all the previous sections and pays attention to the effect of electron beam on the devices. In particular, electron induced effect is studied on nanomechanical structures integrated in circuits and CNT based devices, in order to evaluate EBL based fabrication, SEM characterization or more fundamental aspects. Advanced characterization techniques are used together with simulations, both assessing a deeper understanding of the results. Electrical measurements and AFM based techniques are used to characterise the effect of the electron irradiation by changes in their performance characteristics, charging, surface potential imaging, etc.Main results and solved challenges are summarized in the conclusive chapter 7 that finishes with this document.

La medición precisa de la Irradiancia Directa Normal (DNI) es esencial para el diseño e implementación de proyectos CSP (energía solar concentrada). Qatar cuenta con abundante radiación solar; por lo tanto, el aprovechamiento de la misma es de gran interés en esta región, en particular para sistemas de concentración solar. Antes de embarcarse en dichos proyectos, se debe contar con datos de irradiancia directa normal confiables y de buena calidad. Actualmente, los mapas existentes de radiación solar en Qatar basados en mediciones a nivel de la superficie terrestre son rudimentarios. Los mapas solares basados en datos de satélite proveen una mayor cobertura espacial, pero con resoluciones espacial y temporal relativamente pobres, además de que los datos satelitales de radiaion solar aun no han sido calibrados con mediciones directas en Qatar, por lo que no proveen valores muy precisos de DNI. Por esto, datos confiables basados en mediciones directas con altas resoluciones son necesarios en regiones como Qatar, con medio ambiente desértico arenoso y con altas concentraciones de aerosoles. Dependiendo de su composición, un aerosol puede dispersar o absorber DNI. Entre más aerosoles hay presentes en el aire, mayor es la dispersión y/o absorción del componente directo de la radiación solar, lo que reduce la eficiencia de los sistemas de energía solar concentrada. Así, la calidad de la atmósfera tiene gran impacto sobre la viabilidad de las plantas CSP. El trabajo presentado en esta tesis se enfoca en el estudio del impacto de la calidad de la atmósfera en Doha, Qatar, específicamente los aerosoles, sobre la atenuación del haz solar directo. Esto se realiza por medio de una función de correlación entre la calidad atmosferica y mediciones de DNI. El resultado de esta correlación puede ser usado para calibrar mapas solares. Se utilizó un LIDAR para estimar la calidad de la atmósfera por medio de la medición de luz reflejada por los componentes de la atmósfera. Junto al LIDAR, una estación de monitoreo de la radiación solar se usó para medir directamente DNI. Con base en los resultados de este trabajo, los mapas solares de Qatar basados en satélite pueden ser corregidos, lo que permitirá la elaboración de una base de datos completa del recurso solar en Qatar. / Accurate measurements of Direct Normal Irradiance (DNI) are essential to Concentrated Solar Power (CSP) project design and implementation. Qatar has an abundant supply of solar radiation; therefore, harnessing solar energy is of particular interest in this region specifically for concentrated solar power systems. Before such projects are undertaken, good quality and reliable Direct Normal Irradiance of solar radiation data must be available. Existing solar energy maps of Qatar based on ground station measurements are primitive. Solar energy maps based on satellite data have a wider spatial coverage but relatively poor temporal and spatial resolutions, and satellite-derived solar data have not been calibrated with ground measurements in Qatar, and thus cannot provide accurate DNI. Therefore, reliable data based on high resolution ground measurements are required specifically for a country like Qatar, a region of harsh desert environment with dusty climate and high aerosol loads. Depending on its composition, an aerosol can scatter and/or absorb the DNI. The more aerosols in the air, the more scattering and/or absorption of the direct component of the solar radiation will take place and this will reduce the effectiveness of a concentrated solar power system. The quality of the atmosphere has thus a great impact on the viability of CSP farms. The work presented in this thesis is focused on studying the impact of the quality of the atmosphere in Doha, Qatar, specifically aerosol particles, on the solar direct beam attenuation. This is done by establishing a correlation function between the quality of the atmosphere and the measured DNI. The result of this correlation may be used to calibrate satellite solar maps. A LIDAR device is used to estimate the quality of the atmosphere by measuring the light backscattered by the constituents of the atmosphere. Beside the LIDAR, a Ground Solar Radiation Monitoring Station is used to measure directly the DNI. Based on the result of this work, satellite-derived solar maps of Qatar can be corrected and this will allow building a comprehensive solar radiation database for Qatar.

El reciente descubrimiento de la partícula Higgs en el Large Hadron Collider (LHC) es un hito en la física de partículas. Dicho descubrimiento abre la posibilidad de explorar el Standard Model (SM) y posible nueva física más alla del SM (BSM, i.e. beyond the SM ) a través de las interacciones del Higgs con las demás partículas del SM. Es decir, el interés real no consiste en el mero hecho de explorar los aspectos puramente fenomenol´gicos del Higgs y del SM sino en entender cual es la física y principios detrás de la rotura de la fuerza electrodébil. La física del Higgs tiene lugar a la escala de energía más alta explorada hasta la fecha y es por lo tanto muy importante que la investiguemos a fondo. En la primera parte de la tesis discuto las implicaciones que tiene el valor de la masa del Higgs para la estabilidad del vacío electrodébil. En primer lugar, presento el análisis de orden N 2LLog del potencial del Higgs del SM. Este análisis permite reducir a 1 GeV la incertidumbre en el valor crítico de la masa Higgs Mh para la estabilidad del vacío electrodébil. Aunque el parametro del acoplo cuártico del Higgs evaluado en la escala de energía de Planck es muy próximo a zero, el N 2LLog análisis muestra que la estabilidad absoluta del vacío electrodébil es incompatible con los valores centrales de las medidas experimentales de las masas del Higgs y top quark. También muestro que un escalar pesado puede inducir una corrección relativamente grande al acoplo cuártico de Higgs y por lo tanto estabilizar el vaco electrodébill. Varios ejemplos relevantes de física BSM donde el mecanismo puede estar operativo son discutidos. En la segunda parte de la tesis discutimos como operadores de dimensión superior, que parametrizan física BSM pesada, afecta las interacciones del Higgs. Bajo ciertas asump-ciones, 8 CP-par y 3 CP-impart Wilson coefficients parametrizan el impacto principal en la física del Higgs, ya que todos los demás Wilson coefficients están constre˜nidos por experimentos previos al LHC. Calculamos las dimensiones anómalas más relevantes para la física del Higgs. Esta dimensiones anómalas describen como se mezclan los operadores de dimension superior bajo correcciones cuánticas perturbativas. Esto permite encontrar las correcciones logarítmicas principales a las predicciones de las interacciones del Higgs en varios modelos específicos como el MSSM o el modelo del Higgs compuesto. Tales correcciones pueden ser relevantes en varios casos. Finalmente, en la última parte estudiamos el patrón sorprendente que tienen las dimen¬siones anómalas de los operadores de dimensión seis. El patrón consiste en que la matriz de dimensiones anómalas presenta muchas entradas nulas, lo cuál no es evidente ya que aparentemente dichas entradas no esta prohibidas por ninguna simetría. Un argumento, basado en el uso de supersimetría como simetría espúrea, es presentado. / The discovery of the Higgs at the Large Hadron Collider has triggered a renewed inte- rest on understanding the physical mechanism behind electroweak symmetry breaking. The Higgs boson has opened a new window to probe possible new physics Beyond de Standard Model (BSM) through the measurements of its couplings and its mass value. The Higgs physics is the current energy frontier and it is therefore very important that we explore it thoroughly. In the rst part of the thesis we discuss the implications of the Higgs mass value Mh for the stability of the electroweak (EW) vacuum. We present the next-to-next-to-leading order analysis of the Standard Model Higgs potential. This analysis allows to reduce the theoretical uncertainty in the determination of the critical value of Mh for stability of the EW vacuum to 1 GeV. While the Higgs quartic coupling at the Planck scale is remarkably close to zero, absolute stability of the EW vacuum is excluded for the central experimental values of the Higgs and top quark masses. Next, we show that a heavy scalar singlet can induce a relatively large and positive tree-level threshold correction to the Higgs quartic coupling and stabilize the EW vacuum. We provide examples, such as the see-saw and the invisible axion, where the proposed mechanism is automatically implemented. In the second part we investigate how dimension-six operators, parametrizing heavy BSM physics, a ect the Higgs couplings. Under certain well-motivated assumptions, we nd that 8 CP-even plus 3 CP-odd Wilson coe cients parametrize the main impact in Higgs physics, as all other coe cients are constrained by non-Higgs SM measurements. We calculate the most relevant anomalous dimensions for these Wilson coe cients, which describe operator mixing from the heavy BSM scale down to the EW scale. This allows us to nd the leading-log corrections to the predictions for the Higgs couplings in speci c models, such as the MSSM or composite Higgs, which we nd to be signi cant in certain cases. Finally, in the third part we study the striking structure of the dimension-six anomalous dimension matrix. We present an argument, partly based on the use of supersymmetry as a spurious symmetry, that gives an explanation to the plethora of vanishing entries in the anomalous dimension matrix that are not forbidden by symmetries otherwise.

Los principios de simetría han jugado un rol fundamental en la comprensión de la naturaleza. Sin embargo en general las simetrías no son exactas, sino que están rotas. El estudio de mecanismos de ruptura de simetrías es una de las áreas más activas de la física actual. En esta tesis se estudia la ruptura de simetrías en teorías con dimensiones extra. La motivación principal es que la física de dimensiones extra provee nuevos mecanismos de ruptura de simetrías. En particular se estudian la ruptura de la simetría quiral de QCD y la ruptura de la simetría electrodébil (EW) del Modelo Estandard (SM). En cuanto a la simetría quiral de QCD, se propone un modelo efectivo 5D que describe la ruptura quiral en el sector de mesones. Se describen los sectores escalar, pseudoescalar, vectorial y axial de mesones mediante un modelo en espacio curvo 5D. Como QCD en el límite de gran N se trata de un modelo de resonancias débilmente acopladas, motivo por el cual es posible realizar cálculos analíticos. Se predicen las masas, constantes de decaimientos y acoplamientos entre los mesones en términos de los parámetros 5D. También se calculan los parámetros del lagrangiano quiral de piones de QCD. Todas las predicciones coinciden con los resultados experimentales dentro del rango de validez del modelo. Las predicciones son robustas y algunas relaciones son consecuencia de la simetría gauge 5D. En segundo lugar se estudia la ruptura de la simetría EW en un modelo con un Higgs compuesto en el marco de una teoría 5D en AdS. El modelo da una descripción realista del sector EW. La ruptura EW es un efecto dinámico debido principalmente a contribuciones del top. En una región grande del espacio de parámetros los observables de precisón EW son compatibles con sus cotas experimentales. Además, en el modelo, las desviaciones de la interacción Zbb respecto de las predicciones del SM están protegidas por una simetría. El modelo predice un Higgs liviano cuya masa está correlacionada con la masa de la resonancia fermiónica más ligera. El top Right es esencialmente una partícula compuesta, por lo que se esperan desviaciones respecto del SM en este sector.Por último se presenta un método para calcular correcciones radiativas en teorías con dimensiones extra. El método es muy útil para separar contribuciones finitas y divergentes. / Symmetry is at the basis of our knowledge of nature. It has been one of the most powerful tools to build our present understanding in theoretical physics. However, there are many symmetries that are only partially observed in nature, they are broken. Much of the current research is directly related with the study and comprehension of symmetry breakdown. This thesis is devoted to the study of symmetry breaking in theories with extra dimensions. In particular we study the breakdown of the chiral symmetry of quantum chromodynamics (QCD) and the breakdown of the electroweak (EW) symmetry of the Standard Model (SM).We propose a 5D model to study the chiral symmetry breaking of QCD in the meson sector, in particular the vector, axial-vector, scalar and pseudoscalar. Alike large N QCD this is a model of weakly coupled resonances, we are able to do analytical calculations. We compute the spectrum, decay constants and interactions between the mesons in terms of the 5D parameters of the model. The model also predicts the constants of the low-energy chiral lagrangian of QCD, the quark masses and other physical quantities. We show that, within the range of validity of our model, all the predictions are in good agreement with the experimental results. The predictions are robust under modifications of the metric in the IR and some of the relations arise as a consequence of the 5D gauge symmetry.We describe the EW symmetry breakdown in a composite Higgs model in the framework of a 5D theory. The model is fully realistic and the EW symmetry is broken dynamically by top loop effects. In a large region of the parameter space the EW precision observables are below their experimental bounds. The deviations of the interaction Zbb form the predictions of the SM are protected by a symmetry. Since the 5D model is weakly coupled we are able to compute the Higgs potential. The Higgs mass is small and it is correlated with the mass of the lightest fermionic resonance. The top right is mostly composite and we expect deviations from the SM in this sector.As most of the calculations have been made at tree level, we develop a winding mode formalism to compute radiative corrections in theories with extra dimensions. The method is very useful to separate finite from divergent contributions.

La progressiva reducció del gruix de l'òxid de porta (SiO2) en dispositius MOS sense el corresponent escalat en tensions, ha donat lloc a l'aparició de mecanismes de fallada (ruptura forta, HBD; ruptura suau, SBD; ruptura progressiva, PBD; o corrents de fuites, SILC) que en limiten la seva fiabilitat. Alguns d'aquests mecanismes, menys severs que la ruptura forta (SBD, PBD i SILC), han plantejat nous interrogants a l'hora d'establir la relació que hi ha entre la ruptura (BD) de l'òxid i la fallada del dispositiu o circuit del qual forma part. Per aquest motiu, a fi de determinar el grau de sensibilitat dels circuits a la ruptura dielèctrica, cal estudiar amb més profunditat els factors que en controlen la seva severitat. En aquest sentit, els tests estàndards de caracterització elèctrica no representen de manera gaire acurada les condicions reals d'estrés dels dispositius MOS. Treballs recents, en canvi, indiquen que l'estrés limitat en corrent (CLS), sí permet simular millor les condicions reals d'operació.Actualment és àmpliament acceptat que la ruptura de l'òxid és (i) un fenomen extremadament local que es desencadena en àrees de l'ordre de 10-13-10-12cm2 i (ii) la conseqüència d'un procés de degradació en el qual l'estructura de l'òxid es modifica progressivament i que s'ha associat a la generació de trampes durant l'estrés elèctric. El caràcter extremadament local d'aquests fenòmens fa que sigui necessària una anàlisi a la mateixa escala on tenen lloc: a escala nanomètrica. Amb aquesta finalitat, en aquesta tesi s'ha analitzat la fenomenologia de pre- i post-ruptura en capes primes de SiO2 (2.9-5.9nm) amb C-AFM (Conductive Atomic Force Microscope). L'elevada resolució lateral d'aquesta tècnica (~10nm) ha permès caracteritzar la degradació i la ruptura dielèctrica (així com l'efecte del límit de corrent) d'òxids de porta a escala nanomètrica. Durant l'etapa de degradació, s'han observat canvis sobtats i transitoris en la conductivitat de l'òxid, atribuïts a l'atrapament/ desatrapament de càrregues elementals en els defectes generats durant l'estrés elèctric. Aquesta fenomenologia s'ha relacionat amb el soroll de pre-ruptura observat en dispositius de grandària microelectrònica. El soroll de pre-ruptura s'ha registrat en estressos a tensió constant (CVS) en forma de RTS (Random Telegraph Signal). Una anàlisi temporal i freqüencial demostra que els resultats obtinguts són compatibles amb els corresponents a estructures amb elèctrode de porta. A més, amb C-AFM s'ha pogut mesurar d'una manera directa la característica I-V d'un spot de pre-ruptura i s'ha trobat que té un comportament similar a l'observat en memòries flash amb corrents de fuites anòmals. En aquesta tesi també s'ha analitzat la ruptura de l'òxid, fent especial èmfasi en els efectes del límit de corrent en l'esdeveniment BD. Òxids de porta sense elèctrode metàl.lic s'han estressat amb la punta del microscopi amb i sense límit de corrent fins a desencadenar la ruptura. Després de l'esdeveniment BD, s'han registrat corrents més elevats en la zona afectada i, en alguns casos, també s'han observat canvis en les imatges topogràfiques. Aquests canvis morfològics s'han relacionat amb la càrrega elèctrica negativa present a l'òxid després de la ruptura (BINC), que s'ha associat amb el mal estructural induït durant l'esdeveniment BD. La quantitat de BINC s'ha estimat a partir de les alçades de les protuberàncies observades en les imatges topogràfiques obtingudes amb C-AFM i s'ha trobat que és superior en el cas d'estressos sense límit de corrent. A partir de les imatges de corrent també s'ha trobat que la ruptura, tot i desencadenar-se en àrees molt petites (de l'ordre de ~100nm2), es propaga lateralment a àrees veïnes SBD. El valor de SBD es veu fortament afectat per la severitat de la ruptura dielèctrica que, al mateix temps, depèn del corrent que flueix a través de l'òxid en el moment en el qual es desencadena l'esdeveniment BD. Quan s'apliquen CLS, SBD està limitada a un àrea de ~3.1 104nm2 mentre que, quan no hi ha límit de corrent, les àrees afectades són superiors (~1.6 105nm2). Aquests resultats doncs, demostren que el límit de corrent no permet el desenvolupament complet del canal percolatiu, deixant l'òxid en un estat metaestable que es perllonga fins que les condicions elèctriques d'estrés canvien. Finalment, també s'ha demostrat que amb C-AFM és possible localitzar i analitzar spots de ruptura induïts en dispositius microelectrònics (amb elèctrode de porta) mitjançant les tècniques de caracterització estàndard. Tots aquests resultats demostren la capacitat del C-AFM d'analitzar en detall l'efecte del límit de corrent en la ruptura dielèctrica, així com l'impacte de la ruptura en la funcionalitat del dispositiu microelectrònic. / The progressive decrease of the gate oxide (SiO2) thickness in MOS devices without the corresponding bias voltages scaling, has provoked the appearance of failure mechanisms (hard breakdown, HBD; soft breakdown, SBD; progressive breakdown, PBD; and the stress induced leakage current, SILC) that limit the oxide reliability. Some of these mechanisms (SBD, PBD and SILC) are not as hard as the HBD event, and that has questioned the relation between the oxide breakdown (BD) and the device or circuit failure. For this reason, to determine the actual sensitivity of circuits to oxide breakdown, it is necessary to study the factors that control the severity of the BD event. In this direction, the standard electrical tests are not representative of the actual stress conditions of MOS devices. Recent works, however, point out the current limited stress (CLS) as a better testing methodology to simulate the actual operation conditions. Nowadays it is accepted that the oxide failure is (i) an extremely local phenomenon that takes place in areas of the order of 10-12-10-13cm2 and (ii) the consequence of a degradation stage during which the oxide structure is progressively modified, and that has been associated to the generation of defects during the electrical stress. The extremely local nature of both phenomenon makes necessary an analysis at the same scale where they take place: at a nanometer scale. With this purpose, in this thesis the pre- and post-BD phenomenology has been analysed in thin SiO2 films (2.9-5.9nm) with C-AFM (Conductive Atomic Force Microscope). The high lateral resolution of this technique (~10nm) allows the electrical characterization of the degradation and breakdown event (as well as the effect of the current limitation) of gate oxides at a nanometer scale.During the degradation stage, sudden changes of the oxide conductivity have been observed, attributed to the trapping/detrapping of elementary charges in/from the defects generated during the electrical stress. This phenomenology has been related to the pre-BD noise observed in microelectronic devices. This pre-BD noise is measured during a Constant Voltage Stress (CVS) in form of Random Telegraph Signal (RTS). A time and frequency analysis show compatible parameters to those obtained in poly-gated structure. Moreover, the C-AFM has allowed the direct measurement of the I-V curve of a fluctuating spot, which has been found to be similar to those reported for the anomalous leakage current in flash memory devices.The BD of the oxide has been also analysed in this thesis, paying an special attention to the effects of a current limitation during the BD transient. Bare oxides have been stressed until BD using the tip of the microscope as the metal electrode, with and without setting a current limit. After BD, larger currents are measured at the BD location (as expected) and, sometimes, some changes are also observed in the topography images. These morphological changes have been related to the negative charge present in the oxide after the oxide BD (BINC), which has been associated to the structural damage induced by the BD event. The amount of BINC has been quantified from the heights of the hillocks observed in the C-AFM topography images and has been found to be larger in the case of non-limited current stresses. From the current images, it has been shown that, although the BD takes place in a very small area (So, few hundreds of nm2) it is laterally propagated to a larger area, SBD. The value of SBD is strongly affected by the BD hardness which, at the same time, depends on the current that flows at the location where BD is triggered. When CLS are applied, the growth of SBD is limited to an area of ~3.1 104nm2 whereas, when there is no current limit, larger areas are affected ( ~1.6 105nm2). The results also show that the current limit does not allow the complete development of the BD path, leaving the oxide in a metastable configuration that lasts until the electrical environment is changed. Finally, it has also been demonstrated that with C-AFM it is possible to locate and characterize BD spots induced in microelectronic devices (poly-gated) with standard electrical tests. The results show that C-AFM is a powerful tool to analyze in detail the effect of current limitation on the breakdown event and, conversely, the impact of BD on the device and circuit performance.

L'interès dels aliatges amb memòria de forma ferromagnètics (FSMA), atesa la seva capacitat de poder donar lloc a grans deformacions per aplicació d'un camp magnètic. Els aliatges amb memòria de forma tenen unes propietats mecàniques molt singulars que s'associen a una transformació de fase, coneguda com a transformació martensítica.Els aliatges Ni-Mn-Ga són els que primer es varen desenvolupar dins del camp dels FSMA, però a causa la seva elevada fragilitat, s'està treballant en altres composicions, entre d'altres el Ni-Fe-Ga, etcEn el present treball s'ha dut a terme una caracterització de tipus mecànica d'aliatges poli- i monocristal·lins, en la que, a part d'una caracterització més fonamental, s'ha aprofundit en l'efecte dels precipitats en la tenacitat del material.En la darrera part de la tesi es va aconseguir induir la deformació per camp magnètic d'un aliatge Ni-Fe-Ga-Co, assistint amb una tensió mecànica perpendicular al camp, en una martensita no modulada.

En esta disertación nos concentramos en el estudio de la física de estados débilmente ligados formados por dos fermiones pesados de masas diferentes. Los describimos en términos de teorías de campos efectivas, específicamente las teorías pNRQED y pNRQCD. En este contexto, calculamos los potenciales hasta cuarto orden de expansión en dos sistemas distintos: átomos hidrogenoides y quarkonium pesado. Aplicamos estos resultados para extraer algunos de los niveles de energía asociados. En la primera parte de la tesis, obtenemos una expresión independiente de modelo para el efecto Lamb en hidrógeno muónico. Esta expresión incluye los principales términos logarítmicos de orden (mα^6 ), así como los principales efectos hadrónicos hasta orden (mα^5 m²/Λ²). Como característica notable, nuestro análisis incluye la determinación de las funciones de estructura del tensor de Compton virtual hacia adelante, tanto dependiente como independiente del espín, a orden p³ en la teoría HBET e incluyendo los efectos de la partícula Delta. A partir de estos resultados obtenemos las principales contribuciones hadrónicas a los coeficientes de Wilson de los operadores de cuatro fermiones en el lagrangiano leptón-protón de NRQED. El coeficiente independiente de espín da lugar a una predicción pura de la contribución de intercambio de dos fotones al efecto Lamb del hidrógeno muónico, el cual es la mayor fuente de incertidumbre de nuestro cálculo. El uso de teorías de campos efectivas ayuda a organizar el cálculo, de tal forma que se puede establecer claramente la exactitud paramétrica del resultado. Más allá de esto, revisamos en el contexto de NRQED todas las contribuciones a la variación de energía a orden (α^5), así como aquellas que escalean como (α^6) veces logaritmos. Con nuestra determinación final del efecto Lamb, obtenemos el valor del radio eléctrico del protón en una forma independiente de modelo. El valor que obtenemos está a distancia de 6.8σ del valor de CODATA. En la segunda parte de esta tesis, determinamos los potenciales 1/m y 1/m² del quarkonium pesado independientes del espín con orden de precisión α³ y α² respectivamente. Discutimos en detalles diferentes métodos para calcular estos potenciales, y mostramos explícitamente su equivalencia. En particular, obtenemos por primera vez, los potenciales 1/m y 1/m² manifiestamente invariantes de gauge en términos de lazos de Wilson con precisión de segundo orden de expansión. Como aplicación de estos resultados, derivamos la expresión teórica para el espectro del Bc en el límite de acoplamiento débil a cuarto orden de expansión. / In this dissertation, we concentrate on the physics of weakly bound states made of two heavy fermions with different masses. Their description is performed in the framework of effective field theories (EFTs), specifically pNRQED and pNRQCD. We compute the potentials up to next-to-next-to-next-to leading order (N³LO) for two systems: hydrogen-like atoms and heavy quarkonia. We apply our results to the extraction of some associated energy levels. In the first part of this thesis, we obtain a model independent expression for the muonic hydrogen Lamb shift. This expression includes the leading logarithmic terms of order (mα^6 ) as well as the leading hadronic effects of order (mα^5 m²/Λ²). Most remarkably, our analysis include the determination of the spin-dependent and spin-independent structure functions of the forward virtual-photon Compton tensor of the proton to order p³, using HBET and including the Delta particle. Using these results we obtain the leading hadronic contributions to the Wilson coefficients of the lepton-proton four fermion operators in NRQED. The spin-independent coefficient yields a pure prediction for the two-photon exchange contribution to the muonic hydrogen Lamb shift, which is the main source of uncertainty in our computation. The use of EFT crucially helps us organizing the computation, in such a way that we can clearly address the parametric accuracy of our result. Furthermore, we review in the context of NRQED all the contributions to the energy shift of order (α^5), as well as those that scale like (α^6) times logarithms. With our final determination of the Lamb shift, we obtain the proton charge radius in a model independent way. The value we obtain is 6.8σ away from the CODATA value. In the second part of this thesis, we determine the 1/m and 1/m² spin-independent heavy quarkonium potentials in the unequal mass case with order α³ and order α² accuracy, respectively. We discuss in detail different methods to calculate such potentials, and explicitly show the equivalence among them. In particular we obtain, for the first time, the manifestly gauge invariant 1/m and 1/m² potentials in terms of Wilson loops with next-to leading order (NLO) precision. As an application of our results we derive the theoretical expression for the Bc spectrum in the weak-coupling limit to N³LO.