Within cosmology, there are two entirely independent pillars which can jointly drive this field towards precision: Astronomical observations of primordial element abundances and the detailed surveying of the cosmic microwave background. However, the comparatively large uncertainty stemming from the nuclear physics input is currently still hindering this effort, i.e. stemming from the 2H(p,γ)3He reaction. An accurate understanding of this reaction is required for precision data on primordial nucleosynthesis and an independent determination of the cosmological baryon density. Elsewhere, our Sun is an exceptional object to study stellar physics in general. While we are now able to measure solar neutrinos live on earth, there is a lack of knowledge regarding theoretical predictions of solar neutrino fluxes due to the limited precision (again) stemming from nuclear reactions, i.e. from the 3He(α,γ)7Be reaction. This thesis sheds light on these two nuclear reactions, which both limit our understanding of the universe. While the investigation of the 2H(p,γ)3He reaction will focus on the determination of its crosssection in the vicinity of the Gamow window for the Big Bang nucleosynthesis, the main aim for the 3He(α,γ)7Be reaction will be a measurement of its γ-ray angular distribution at astrophysically relevant energies. In addition, the installation of an ultra-low background counting setup will be reported which further enables the investigation of the physics of rare events. This is essential for modern nuclear astrophysics, but also relevant for double beta decay physics and the search for dark matter. The presented setup is now the most sensitive in Germany and among the most sensitive ones worldwide. / Innerhalb der Kosmologie gibt es zwei völlig unabhängige Ansätze, die gemeinsam die Präzision in diesem Gebiet weiter vorantreiben können: Astronomische Beobachtungen der primordialen Elementhäufigkeiten und die detaillierte Vermessung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Dieses Vorhaben wird derzeit allerdings noch durch die vergleichsweise große Unsicherheit des kernphysikalischen Inputs verhindert, vor allem bedingt durch das limitierte Verständnis der 2H(p,γ)3He-Reaktion. Eine präzise Vermessung dieser Reaktion ist sowohl für die Präzisionsdaten zur primordialen Nukleosynthese erforderlich, als auch für die damit einhergehende unabhängige Bestimmung der kosmologischen Baryonendichte. Des Weiteren ist unsere Sonne ein exzellent geeignetes Objekt, um unser theoretisches Verständnis über die Physik von Sternen mit experimentellen Messungen abgleichen zu können. Während wir heutzutage in der Lage sind, solare Neutrinos in Echtzeit auf der Erde messen können, mangelt es noch an der theoretischen Vorhersagekraft von solaren Neutrinoflüssen. Auch hier ist die Präzision (erneut) begrenzt durch das limitierte Verständnis der beteiligten Kernreaktionen, vor allem bedingt durch mangelnde Kenntnis über die 3He(α,γ)7Be-Reaktion. Die vorliegende Arbeit beleuchtet diese zwei Kernreaktionen, die beide unser Verständnis des Universums auf verschiedene Weise einschränken. Während sich die Untersuchung der 2H(p,γ)3He-Reaktion auf die Bestimmung ihres Wirkungsquerschnitts in der Nähe des Gamow-Fensters für die Urknall-Nukleosynthese konzentriert, ist das Hauptanliegen für die 3He(α,γ)7Be-Reaktion eine Messung der Winkelverteilung der dabei emittierten γ-Strahlung bei astrophysikalisch relevanten Energien. Darüber hinaus wird über die Installation eines Messaufbaus zur Untersuchung niedriger Aktivitäten berichtet, das sich durch seine äußerst geringe Untergrundzählrate auszeichnet. Bedingt durch seine hohe Sensitivität kann dieser Aufbau in Zukunft bedeutende Beiträge für die moderne nukleare Astrophysik leisten und ist darüber hinaus beispielsweise auch relevant für die Untersuchung von Doppel-Betazerfällen oder die Suche nach dunkler Materie. Der präsentierte Aufbau ist nun der Sensitivste seiner Art in Deutschland und gehört zu den Sensitivsten weltweit.

[pt] Em 2013, o IceCube Neutrino Observatory, localizado no Polo Sul, descobriu um fluxo de neutrinos astrofísicos com energias de PeV. Mais tarde, descobriu-se que este fluxo se estendia até pelo menos aproximadamente 10 TeV. Apesar de muitos esforços desde então, determinar as suas fontes permanece sendo um dos maiores desafios na comunidade de astrofísica. Nesta dissertação, investigamos possíveis fontes através de uma abordagem multimensageira bem motivada. Em qualquer mecanismo para a produção de neutrinos cósmicos, obrigatoriamente há produção simultânea de raios gama com energias comparáveis. Ao contrário de neutrinos, que atravessam o Universo ilesos, raios gama de altas energias sofrem interações com fótons de fundo em um processo de degradação de energia conhecido como cascata eletromagnética. Na Terra, eles contituem o fundo extragalático de raios gama difuso (EGB), medido com precisão pelo Fermi Gamma-ray Space Telescope entre GeV–TeV. Realizando uma análise conservativa, quantitativa e multimensageira, encontra-se uma tensão de maior ou aproximadamente 3delta (possivelmente chegando a aproximdamente 5 delta) entre os dados do IceCube e do EGB, apontando para a exitência de uma nova classe de aceleradores cósmicos de alta energia, como, por exemplo, fontes opacas para raios gama. / [en] In 2013, the IceCube Neutrino Observatory, located at the South Pole, discovered a flux of astrophysical neutrinos with PeV energies, later found to extend down to at least approximately 10 TeV. Despite many efforts since then, determining their sources remains one of the most daunting challenges in the astrophysics community. In this dissertation, we investigate possible sources via a well-motivated multimessenger approach. In any production mechanism of cosmic neutrinos, there must also be a simultaneous production of gamma-rays withcomparable energies. Unlike neutrinos, which travel unscathed throughout the Universe, high energy gamma-rays undergo interactions with background photons in an energy-degrading process known as electromagnetic cascade. At the Earth, they constitute the diffuse extragalactic gamma-ray background (EGB), precisely measured by the Fermi Gamma-ray Space Telescope in the GeV–TeV range. By performing a conservative, quantitative, multimessenger analysis, we find greater than a or approximately to 3 delta (possibly as large as approximately 5 delta) tension between IceCube and EGB data, pointing towards the existence of a new class of high energy cosmic accelerators, such as gamma-ray-opaque sources.

Tesis por compendio / [ES] La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una potente técnica de imagen que proporciona mediante el uso de radiofármacos específicos medidas cuantitativas de los procesos biológicos y fisiológicos que tienen lugar en el organismo a nivel molecular. Las imágenes PET proporcionan información funcional que permite el diagnóstico precoz y el seguimiento personalizado del tratamiento terapéutico. La PET tiene aplicaciones en diversas áreas clínicas y de investigación, como la oncología, la neurología o la cardiología, entre otras. Los esfuerzos por mejorar las prestaciones de los sistemas PET se centran en aumentar su sensibilidad y calidad de imagen, lo que permite una evaluación clínica más precisa. En las imágenes PET, se inyecta al paciente un radiotrazador marcado con un radionúclido emisor de positrones que se distribuye por todo el cuerpo. Durante la desintegración radiactiva del trazador, el isótopo emite un positrón que se aniquila con un electrón del tejido circundante, generando dos rayos gamma de 511 keV emitidos a aproximadamente 180º. La técnica PET se basa por tanto en la detección simultánea de estos dos rayos gamma, denominados fotones de aniquilación, empleando habitualmente un anillo de detectores alrededor del paciente. Mejorando el diseño y el rendimiento de estos detectores, se mejoran las capacidades diagnósticas que ofrece la imagen PET. Para aumentar el rendimiento, se ha sugerido utilizar detectores basados en diseños de cristales monolíticos, debido a sus ventajas en comparación con los detectores pixelados. Sin embargo, su implementación en escáneres comerciales requiere superar algunos retos relacionados principalmente con los métodos de posicionamiento y los procedimientos de calibración necesarios para proporcionar las coordenadas de impacto del fotón de aniquilación y el tiempo de llegada de los fotones. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y validación experimental de metodologías para la determinación precisa de esta información en detectores monolíticos, haciendo hincapié en su aplicación práctica también a sistemas PET completos. Durante esta tesis se han estudiado los principios fundamentales de los detectores PET monolíticos para comprender su comportamiento y limitaciones. En primer lugar, se han considerado las configuraciones típicas de detectores monolíticos basadas en bloques de centelleo continuo acoplados a matrices de SiPMs planas; además, también se han evaluado y validado otros enfoques novedosos. Se han desarrollado dos metodologías principales, una basada en técnicas analíticas y otra en algoritmos de Aprendizaje Profundo, para el posicionamiento 3D de la interacción del fotón con el fin de aumentar el rendimiento global del detector. Finalmente, los métodos propuestos han sido validados a nivel de detector, pero también en diferentes escáneres PET desarrollados en i3M. La presente tesis se basa en un compendio de los artículos más relevantes publicados en revistas revisadas por pares por el doctorando y está organizada de la siguiente manera. El Capítulo I presenta una introducción al trabajo de la tesis, compuesto por tres secciones: Imagen Médica, principios de la Tomografía por Emisión de Positrones y, Estimación de posición y calibración en detectores monolíticos. El Capítulo II contiene los objetivos específicos de esta tesis y las principales contribuciones del candidato a este campo. Este capítulo también incluye algunas metodologías y resultados recientes que aún no han sido publicados. El Capítulo III colecciona una copia de los cuatro artículos publicados seleccionados para el compendio, en los que el candidato es el primer autor [1]-[4]. En el Capítulo IV se discuten los principales resultados y conclusiones alcanzados durante la tesis. Por último, el Capítulo V presenta la discusión de esta tesis, resumiendo las principales contribuciones y destacando los logros científicos. / [CAT] La Tomografia per Emissió de Positrons (PET) és una potent tècnica d'imatge que proporciona mitjançant l'ús de radiofàrmacs específics mesures quantitatives dels processos biològics i fisiològics que tenen lloc en l'organisme a nivell molecular. Les imatges PET proporcionen informació funcional que permet el diagnòstic precoç i el seguiment personalitzat del tractament terapèutic. La PET té aplicacions en diverses àrees cliniques y d¿investigació, com l'oncologia, la neurologia o la cardiologia, entre altres. Els esforços per millorar les prestacions dels sistemes PET se centren en millorar la seua sensibilitat i qualitat d'imatge, la qual cosa permet una avaluació clínica més precisa més precís. En les imatges PET, s'injecta al pacient un radiotraçador marcat amb un radionúclid emissor de positrons que es distribueix per tot el cos. Durant la desintegració radioactiva del traçador, l'isòtop emet un positró que s'aniquila amb un electró del teixit circumdant, generant dos raigs gamma de 511 keV emesos a aproximadament 180º. La tècnica PET es basa per tant en la detecció simultània d'aquests dos raigs gamma, denominats fotons d'anihilació, emprant habitualment un anell de detectors al voltant del pacient. Millorant el disseny i el rendiment d'aquests detectors, es millora les capacitats diagnòstiques que ofereix la imatge PET. Per a augmentar el rendiment, s'ha suggerit utilitzar detectors basats en dissenys de cristalls monolítics, a causa dels seus avantatges en comparació amb els detectors pixelats. No obstant això, la seua implementació en escàners comercials requereix superar alguns reptes relacionats principalment amb els mètodes de posicionament i els procediments de calibració necessaris per a proporcionar les coordenades d'impacte del fotó d'anihilació i el temps d'arribada dels fotons. Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament i validació experimental de metodologies per a la determinació precisa d'aquesta informació en detectors monolítics, posant l'accent en la seua aplicació pràctica també a sistemes PET complets. Durant aquesta tesi s'han estudiat els principis fonamentals dels detectors PET monolítics per a comprendre el seu comportament i limitacions. En primer lloc, s'han considerat les configuracions típiques de detectors monolítics basats en blocs de centellege continu acoblats a matrius SiPM planes; a més, també s'han evaluat i validat altres enfocaments nous. S'han desenvolupat dues metodologies principals, una basada en tècniques analítiques i una altra en algoritmes d'Aprenentatge Profund, pel posicionament 3D de la interacció del fotó amb la finalitat d'augmentar el rendiment global del detector. Finalment, els mètodes proposats han sigut validats a nivell de detector però també en diferents escàners PET desenvolupats en i3M. La present tesi es basa en un compendi dels articles més rellevants publicats en revistes revisades per parells pel doctorand i està organitzada de la següent manera. El Capítol I presenta una introducció al treball de tesi, compost per tres seccions: Imatge Mèdica, principis de la Tomografia per Emissió de Positrons i, Estimació de posició i calibració en detectors monolítics. El Capítol II conté els objectius específics d'aquesta tesi i les principals contribucions del candidat a aquest camp. Aquest capítol també inclou algunes metodologies i resultats recents que encara no han sigut publicats. El Capítol III col·lecciona una còpia dels quatre articles publicats seleccionats pel compendi, en els quals el candidat és el primer autor [1]-[4]. En el Capítol IV es discuteixen els principals resultats i conclusions aconseguits durant la tesi. Finalment, el Capítol V presenta la discussió d'aquesta tesi, resumint les principals contribucions i destacant els assoliments científics. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a powerful imaging technique that provides quantitative measurements of biological and physiological processes occurring within the body at the molecular level by using specific radiopharmaceuticals. PET imaging returns functional information that allows for early diagnosis and personalized therapy treatment follow up. It has applications in several research and clinical areas, such as oncology, neurology or cardiology, among others. Efforts to improve PET systems performance are focused on increasing their sensitivity and image quality, allowing for more accurate clinical assessments. In PET imaging, a radiotracer labeled with a positron-emitting radionuclide is injected to the patient and consequently, distributed throughout the body. During the radiotracer decay, the isotope emits a positron that annihilates with an electron of the surrounding tissues, generating two 511 keV gamma-rays emitted at approximately 180º. The PET technique is based therefore on the simultaneous detection of these two gamma-rays, called annihilation photons, by usually employing a ring of detectors around the patient. Improving the design and performance of these detectors, increases the diagnostic capabilities of PET imaging. To boost PET performance, it has been suggested to use detectors based on monolithic crystals designs, due to their advantages compared to pixelated detectors. However, their implementation in commercial scanners requires overcoming some challenges mostly related to photon impact positioning methods and calibration procedures to provide the impact coordinates and time of arrival of the annihilation photons. This PhD thesis focuses on the development and experimental validation of methodologies for an accurate determination of this information in monolithic detectors, emphasizing in their practical application to full PET systems. During this thesis, the main principles of monolithic-based PET detectors have been studied to understand their behavior and limitations. Typical monolithic detector configurations based on continuous scintillation blocks coupled to flat SiPM arrays have been first considered; additionally, other novel approaches have been also validated. Two main methodologies for 3D photon interaction positioning, one based on analytical methods and another based on Deep Learning algorithms, have been developed to increase the overall detector performance. The proposed methods have been validated at the detector level but also in different PET scanners developed by our group. The present thesis is based on a compendium of the most relevant papers published in peer-reviewed journals by the PhD candidate and is organized as follows. Chapter I presents an introduction to the thesis work, composed by three sections: Medical Imaging, principles of Positron Emission Tomography and, Position estimation and calibration in monolithic-based detectors. Chapter II contains the specific objectives of this thesis and the main contributions of the candidate to the field. This chapter also includes some recent methodologies and results that have not yet been published. Chapter III collects an author copy of the four published articles selected for the compendium, in which the candidate is the first author [1]-[4]. In Chapter IV the main results and conclusion achieved during the thesis are discussed. Finally, Chapter V presents the discussion of this thesis, summarizing the main contributions and highlighting the scientific achievements. / Freire López-Fando, M. (2023). Implementation of New Algorithms for an Accurate Gamma-Ray Impact Determination in Scintillation Monolithic Blocks for PET Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196084 / Compendio

In der Protonentherapie können aufgrund verschiedener Unsicherheiten Reichweitenveränderungen von Protonen auftreten. Bei der Prompt-Gamma-Ray Timing Methode wird eine Reichweitenveränderung von Protonen anhand der zeitlichen Verteilung der erzeugten prompten Gammastrahlung ermittelt. Die Eignung von neuronalen Netzen zur Reichweitenbestimmung anhand der zeitlichen und spektralen Verteilung von prompten Gammastrahlen wurde untersucht. Es wurden Modelle für die Untersuchung von 1D-Zeitspektren und 2D-Energie-Zeit-Spektren erstellt. Die entwickelten Modelle wurden auf statisch applizierten Spots hoher Intensität trainiert und auf gescannten Spots mit niedrigerer Intensität validiert. Es wurde festgestellt, dass die parallele Analyse von Energie und Zeit die beste Vorhersagekraft der Modelle erreichte. Es wurden Reichweitenveränderungen für statisch applizierte Spots mit einer Genauigkeit von 3,10 mm detektiert, während für gescannt applizierte Spots unter Verwendung von Datenakkumulation ein RMSE von 3,70 mm erreicht wurde. Im Vergleich zu vorherigen multivariaten Modellen konnte keine Verbesserung mit neuronalen Netzen demonstriert werden. Komplexere Modelle und ein umfangreicherer Datensatz könnten die Genauigkeit der Reichweitenvorhersage mittels Deep Learning noch weiter verbessern.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 3 2.1 Protonentherapien 3 2.1.1 Wechselwirkungen 3 2.1.2 Behandlungsverifikation 4 2.2 Gamma-Ray-basierte Behandlungsverifikation 6 2.2.1 Prompt Gamma-Ray Timing 7 2.2.2 Prompt Gamma-Ray Spectroscopy 9 2.3 Deep Learning 9 2.3.1 Allgemeine Funktionsweise 9 2.3.2 Feedforward Neural Network 10 2.3.3 Faltendes Neuronales Netz 12 2.3.4 Regression und Klassifikation 14 3 Material und Methoden 16 3.1 Softwareumgebung und Infrastruktur 16 3.2 Datengrundlage 16 3.2.1 Datenaufnahme 16 3.2.2 Datenvorverarbeitung 18 3.2.3 Datenakkumulation 20 3.3 Dateneinteilung 21 3.4 Regression und Klassifikation 22 3.5 Modellarchitekturen 22 3.5.1 FFNN 22 3.5.2 1D-CNN 23 3.5.3 2D-CNN 24 3.6 Voruntersuchungen 25 3.6.1 Konstante Hyperparameter 26 3.6.2 Schichtanzahl von FFNN und CNN 26 3.6.3 Filtergröße von CNNs 27 3.6.4 Datennormierung 27 3.6.5 Untersuchung der Architekturen und Energie 28 3.7 Finale Vorhersage der Reichweitenverschiebung 28 4 Ergebnisse 30 4.1 Voruntersuchungen 30 4.1.1 Schichtanzahl von FFNN und CNN 30 4.1.2 Filtergröße von CNNs 31 4.1.3 Datennormierung 32 4.1.4 Untersuchung der Architektur und Energie 32 4.2 Finale Vorhersage der Reichweitenverschiebung: Regression 35 4.3 Finale Vorhersage der Reichweitenverschiebung: Klassifikation 39 5 Diskussion und Ausblick 42 6 Zusammenfassung 48 Anhang A Loss 58 Anhang B Untergrundkorrektur 60 Anhang C Leistungsparameter 61 Anhang D Ergebnistabellen Regression 63 Anhang E Ergebnistabellen Klassifikation 67 / In proton therapy, changes in the range of protons can occur due to various uncertainties. In the prompt gamma-ray timing method, a change in the range of protons is determined based on the temporal and spectral distribution of the generated prompt gamma radiation. The suitability of neural networks for range determination based on the temporal distribution of prompt gamma rays was investigated. Models were created for the investigation of 1D time spectra and 2D energy-time spectra. The developed models were trained on statically applied high intensity spots and validated on scanned spots applied with lower intensity. It was found that the parallel analysis of energy and time achieved the best predictive power of the models. Range changes for statically applied spots were detected with a root mean square error (RMSE) of 3.10 mm, and for dynamically scanned spots, a RMSE of 3.70 mm was achieved when utilizing data accumulation. Compared to previous multivariate models, no improvement could be demonstrated using simple neural networks. More complex models and a more comprehensive data set could further improve the accuracy of range prediction from Deep Learning.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 3 2.1 Protonentherapien 3 2.1.1 Wechselwirkungen 3 2.1.2 Behandlungsverifikation 4 2.2 Gamma-Ray-basierte Behandlungsverifikation 6 2.2.1 Prompt Gamma-Ray Timing 7 2.2.2 Prompt Gamma-Ray Spectroscopy 9 2.3 Deep Learning 9 2.3.1 Allgemeine Funktionsweise 9 2.3.2 Feedforward Neural Network 10 2.3.3 Faltendes Neuronales Netz 12 2.3.4 Regression und Klassifikation 14 3 Material und Methoden 16 3.1 Softwareumgebung und Infrastruktur 16 3.2 Datengrundlage 16 3.2.1 Datenaufnahme 16 3.2.2 Datenvorverarbeitung 18 3.2.3 Datenakkumulation 20 3.3 Dateneinteilung 21 3.4 Regression und Klassifikation 22 3.5 Modellarchitekturen 22 3.5.1 FFNN 22 3.5.2 1D-CNN 23 3.5.3 2D-CNN 24 3.6 Voruntersuchungen 25 3.6.1 Konstante Hyperparameter 26 3.6.2 Schichtanzahl von FFNN und CNN 26 3.6.3 Filtergröße von CNNs 27 3.6.4 Datennormierung 27 3.6.5 Untersuchung der Architekturen und Energie 28 3.7 Finale Vorhersage der Reichweitenverschiebung 28 4 Ergebnisse 30 4.1 Voruntersuchungen 30 4.1.1 Schichtanzahl von FFNN und CNN 30 4.1.2 Filtergröße von CNNs 31 4.1.3 Datennormierung 32 4.1.4 Untersuchung der Architektur und Energie 32 4.2 Finale Vorhersage der Reichweitenverschiebung: Regression 35 4.3 Finale Vorhersage der Reichweitenverschiebung: Klassifikation 39 5 Diskussion und Ausblick 42 6 Zusammenfassung 48 Anhang A Loss 58 Anhang B Untergrundkorrektur 60 Anhang C Leistungsparameter 61 Anhang D Ergebnistabellen Regression 63 Anhang E Ergebnistabellen Klassifikation 67

La nouvelle génération d'expériences de physique produira une quantité de données sans précédent. Cette augmentation du flux de données cause des bouleversements techniques à tous les niveaux, comme le stockage des données, leur analyse, leur dissémination et leur préservation.Le projet CTA sera le plus grand observatoire d'astronomie gamma au sol à partir de 2021. Il produira plusieurs centaines de Péta-octets de données jusqu'en 2030 qui devront être analysées, stockée, compressées, et réanalysées tous les ans.Ce travail montre comment optimiser de telles analyses de physique avec les techniques de l'informatique hautes performances par le biais d'un générateur de format de données efficace, d'optimisation bas niveau de l'utilisation du pipeline CPU et de la vectorisation des algorithmes existants, un algorithme de compression rapide d'entiers et finalement une nouvelle analyse de données basée sur une méthode de comparaison d'image optimisée. / The new generation research experiments will introduce huge data surge to a continuously increasing data production by current experiments. This increasing data rate causes upheavals at many levels, such as data storage, analysis, diffusion and conservation.The CTA project will become the utmost observatory of gamma astronomy on the ground from 2021. It will generate hundreds Peta-Bytes of data by 2030 and will have to be stored, compressed and analyzed each year.This work address the problems of data analysis optimization using high performance computing techniques via an efficient data format generator, very low level programming to optimize the CPU pipeline and vectorization of existing algorithms, introduces a fast compression algorithm for integers and finally exposes a new analysis algorithm based on efficient pictures comparison.

Estados Nucleares isoméricos são estados que decaem com vidas-médias longas ( T1/2 > 10 ns) e revelam, em geral, uma grande mudança no momento angular no seu decaimento, um pequeno elemento de matriz ou uma baixa energia de transição. Através da medida da vida-média de estados nucleares é possível obter informações sobre a função de onda desse estado, representando um teste rigoroso para modelos nucleares. Neste trabalho foi utilizado um sistema desenvolvido no Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN) da Universidade de São Paulo chamado SIStema para Medida de Estados Isoméricos (SISMEI), que utiliza coincidência atrasada entre partículas evaporadas numa reação nuclear e raios gama emitidos pelo estado isomérico. O SISMEI consiste de cintiladores plásticos para detecção das partículas, detectores de germânio hiperpuro (HPGe) e iodeto de sódio (NaI(Tl)) para raios gama, associados a uma eletrônica de coincidência, instalado no acelerador Pelletron (8UD) do LAFN. Neste trabalho, realizou-se um experimento para medir o estado isomérico 7(-) (E = 1229,87(4) keV) do 68Ga. A tomada de dados durou cerca de 80 horas com uma taxa de eventos de aproximadamente 80000 contagens por hora. O resultado obtido foi T 1/2 = 60, 8(11) ns, que é compatível com os resultados experimentais de outros trabalhos, porém, mais preciso. A estrutura desse núcleo foi calculada através do Modelo de Camadas em Larga Escala considerando-se duas interações residuais diferentes FPG e JUN45; os resultados foram comparados entre si, juntamente com os valores obtidos em outros trabalhos. Os cálculos realizados com o Modelo de Camadas reproduziram relativamente bem a energia e a ordem dos estados excitados do 68Ga, a interação FPG conseguiu descrever melhor a probabilidade de transição quadrupolar elétrica B(E2) diretamente ligada à vida-média do estado. / Isomeric nuclear states are nuclear states which decay with long lifetimes (T1/2 > 10 ns); their study generally reveals, a large change in angular momentum in its decay, a small matrix element or a small transition energy. By measuring lifetimes of isomeric states it is possible to obtain information about this states wave function, being a robust test for nuclear models. In this work, a system developed at the Laboratório Aberto de Fsica Nuclear (LAFN) of University of São Paulo called System for the Measurement of Isomeric States (SISMEI) was utilized. Delayed coincidence between evaporated particles in a nuclear reaction and the delayed gamma-rays emitted from the isomeric state was used to measure lifetimes. SISMEI is composed of plastic scintillators for particle detection, hiperpure germanium detectors (HPGe) and sodium iodide (NaI(Tl)) for gamma-ray detection, coupled to a coincidence system, located on 30A beam line of the Pelletron (8UD) accelerator - LAFN. In the present work, an experiment to measure the 7 (-) (E = 1229.87(4) keV) isomeric state of 68Ga was performed. The experiment took about 80 hours with an event rate of about 80000 counts per second. The measured value was T 1/2 = 60.8(11) ns, which is compatible, but more accurate, with experimental results of other authors. The nuclear structure of this nucleus was calculated with the Large Scale Shell Model by using two different residual interactions FPG and JUN45; the results were compared with the known values. The structure calculated with LSSM described the energy states and the order of excited states relatively well; the FPG interaction was capable to describe better the quadrupolar electrical transition probability B(E2), which is direct related to predicting the state lifetime.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen semi-analytischen Ansatz zur Modellierung der Dichteverteilung von DM im Galaktischen Halo. Aus den verschiedenen Substrukturmodellen wird die γ-Strahlungsintensität, welche die Erde erreicht, berechnet. Eine Spannbreite plausibler γ-Strahlungsintensitäten aufgrund der Paarvernichtung Galaktischer DM wird vorgeschlagen, welche die Vorhersagen verschiedener früherer Studien umfasst, und es werden die durchschnittlichen Massen, Abstände und ausgedehnten Strahlungsprofile der γ-strahlungsintensivsten DM-Verdichtungen berechnet. Schließlich werden die DM-Modelle für eine umfassende Berechnung der Nachweismöglichkeit Galaktischer Substrukturen mit CTA verwendet. Die instrumentelle Sensitivität zum Nachweis der γ-strahlungsintensivsten DM-Substruktur wird für eine mit CTA geplanten großflächigen Himmelsdurchmusterung außerhalb der Galaktischen Ebene berechnet. Die Berechnung wird mit CTA Analyse- Software und einer Methode durchgeführt, welche auf einer Likelihood beruht. Eine alternative, ebenfalls Likelihood-basierte Analysemethode wird entwickelt, mit welcher DM-Substrukturen als äumliche Anisotropien im Multipolspektrum des Datensatzes einer Himmelsdurchmusterung nachgewiesen werden können. Die Analysen ergeben, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA und eine anschließende Suche nach γ-Strahlung von DM-Substrukturen Wirkungsquerschnitte für eine Paarvernichtung in der Größenordnung von (σv) > 1 × 10−24 cm3 s−1 für eine DM-Teilchenmasse von mχ ∼ 500 GeV auf einem Vertrauensniveau von 95% ausschließen kann. Diese Sensitivität ist vergleichbar mit Langzeitbeobachtungen einzelner Zwerggalaxien mit CTA. Eine modellunabhängige Analyse ergibt, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA Anisotropien im diffusen γ-Strahlungshintergrund oberhalb von 100 GeV für relative Schwankungen von CPF > 10−2 nachweisen kann. / In the current understanding of structure formation in the Universe, the Milky Way is embedded in a clumpy halo of dark matter (DM). Regions of high DM density are expected to emit enhanced γ-radiation from the DM relic annihilation. This γ-radiation can possibly be detected by γ-ray observatories on Earth, like the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). This dissertation presents a semi-analytical density modeling of the subclustered Milky Way DM halo, and the γ-ray intensity at Earth from DM annihilation in Galactic subclumps is calculated for various substructure models. It is shown that the modeling approach is able to reproduce the γ-ray intensities obtained from extensive dynamical DM simulations, and that it is consistent with the DM properties derived from optical observations of dwarf spheroidal galaxies. A systematic confidence margin of plausible γ-ray intensities from Galactic DM annihilation is estimated, encompassing a variety of previous findings. The average distances, masses, and extended emission profiles of the γ-ray-brightest DM clumps are calculated. The DM substructure models are then used to draw reliable predictions for detecting Galactic DM density clumps with CTA, using the most recent benchmark calculations for the performance of the instrument. A Likelihood-based calculation with CTA analysis software is applied to find the instrumental sensitivity to detect the γ-ray-brightest DM clump in the projected CTA extragalactic survey. An alternative Likelihood-based analysis method is developed, to detect DM substructures as anisotropies in the angular power spectrum of the extragalactic survey data. The analyses predict that the CTA extragalactic survey will be able to probe annihilation cross sections of ⟨σv⟩ > 1 × 10−24 cm3 s−1 at the 95% confidence level for a DM particle mass of mχ ∼ 500 GeV from DM annihilation in substructures. This sensitivity is compatible with long-term observations of single dwarf spheroidal galaxies with CTA. Independent of a particular source model, it is found that the CTA extragalactic survey will be able to detect anisotropies in the diffuse γ-ray background above 100 GeV at a relative amplitude of CP_F > 10−2.

Cherenkov-Teleskope sind in der Lage, das schwache Cherenkovlicht aus Teilchenschauern zu detektieren, die von kosmischen Teilchen mit Energien von ca. 100 GeV bis 100 TeV in der Erdatmosphäre initiiert werden. Das Ziel ist die Detektion von Cherenkovlicht aus Schauern, die von Gammastrahlen erzeugt wurden, der größte Teil der Schauer stammt jedoch von geladenen Teilchen. Im Jahr 2012 wurde das H.E.S.S.-Observatorium in Namibia, bis dahin bestehend aus vier Teleskopen mit 100 m²-Spiegeln, um ein fünftes Teleskop mit einer Spiegelfläche von ca. 600 m² ergänzt. Aufgrund der großen Spiegelfläche besitzt dieses Teleskop die niedrigste Energieschwelle aller Teleskope dieser Art. In dieser Dissertation wird ein schneller Algorithmus namens MonoReco präsentiert, der grundlegende Eigenschaften der Gammastrahlen wie ihre Energien und Richtungen rekonstruieren kann. Dieser Algorithmus kann weiterhin unterscheiden, ob Schauer von Gammastrahlen oder von geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung initiiert wurden. Diese Aufgaben werden mit mithilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken erfüllt, welche ausschließlich die Momente der Intensitätsverteilungen in der Kamera des neuen Teleskops analysieren. Eine Energieschwelle von 59 GeV und Richtungsauflösungen von 0.1°-0.3° werden erreicht. Das Energiebias liegt bei wenigen Prozent, die Energieauflösung bei 20-30%. Unter anderem mit dem MonoReco-Algorithmus wurden Daten, die in der Zeit um das Periastron des Binärsystems PSR B1259-63/LS 2883 im Jahre 2014 genommen wurden, analysiert. Es handelt sich hierbei um einen Neutronenstern, der sich in einem 3,4-Jahres-Orbit um einen massereichen Stern mit einer den Stern umgebenden Scheibe aus Gas und Plasmen befindet. Zum ersten Mal konnte H.E.S.S. das Gammastrahlenspektrum dieses Systems bei Energien unterhalb von 200 GeV messen. Weiterhin wurde bei erstmaligen Beobachtungen zur Zeit des Periastrons ein lokales Flussminimum gemessen. Sowohl vor dem ersten als auch nach dem zweiten Transit des Neutronensterns durch die Scheibe wurden hohe Flüsse gemessen. Im zweiten Fall wurden Beobachtungen erstmals zeitgleich mit dem Fermi-LAT-Experiment durchgeführt, das wiederholt sehr hohe Flüsse in diesem Teil des Orbits messen konnte. Ein Vergleich der gemessenen Flüsse mit Vorhersagen eines leptonischen Modells zeigt gute Übereinstimmungen. / Cherenkov telescopes can detect the faint Cherenkov light emitted by air showers that were initiated by cosmic particles with energies between approximately 100 GeV and 100 TeV in the Earth's atmosphere. Aiming for the detection of Cherenkov light emitted by gamma ray-initiated air showers, the vast majority of all detected showers are initiated by charged cosmic rays. In 2012 the H.E.S.S. observatory, until then comprising four telescopes with 100 m² mirrors each, was extended by adding a much larger fifth telescope with a very large mirror area of 600 m². Due to the large mirror area, this telescope has the lowest energy threshold of all telescopes of this kind. In this dissertation, a fast algorithm called MonoReco is presented that can reconstruct fundamental properties of the primary gamma rays like their direction or their energy. Furthermore, this algorithm can distinguish between air showers initiated either by gamma rays or by charged cosmic rays. Those tasks are accomplished with the help of artificial neural networks, which analyse moments of the intensity distributions in the camera of the new telescope exclusively. The energy threshold is 59 GeV and angular resolutions of 0.1°-0.3° are achieved. The energy reconstruction bias is at the level of a few percent, the energy resolution is at the level of 20-30%. Data taken around the 2014 periastron passage of the gamma-ray binary PSR B1259-63/LS 2883 were analysed with, among others, the MonoReco algorithm. This binary system comprises a neutron star in a 3.4 year orbit around a massive star with a circumstellar disk consisting of gas and plasma. For the first time the gamma-ray spectrum of this system could be measured by H.E.S.S. down to below 200 GeV. Furthermore, a local flux minimum could be measured during unprecedented measurements at the time of periastron. High fluxes were measured both before the first and after the second transit of the neutron star through the disk. In the second case measurements could be performed for the first time contemporaneously with the Fermi-LAT experiment, which has repeatedly detected very high fluxes at this part of the orbit. A good agreement between measured fluxes and predictions of a leptonic model is found.

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Emission von hochenergetischer Gammastrahlung aus Aktiven Galaxienkernen, anhand von Beobachtungen mit den MAGIC Teleskopen. Aktive Galaxien entstehen durch die Freisetzung von Gravitationsenergie der Stellarmaterie, die in das zentrale Schwarze Loch fällt. Zwei diametral entgegengesetzte Jets strömen aus dem Kern. Falls einer von diesen Jets zum Beobachter zeigt, wird der aktive Galaxienkern als Blazar bezeichnet. In dieser Doktorarbeit wird die Analyse der MAGIC Beobachtungen von drei Blazaren präsentiert: der bisher unbekannte hochenergetische Blazar 1ES 1727+502 und die bekannten Objekte 3C 279 und PKS 1510-089. Die Quelle 1ES 1727+502 gehört zu der Unterklasse der BL Lac Objekte, die die zahlenmässig größte Klasse an extragalaktischen hochenergetische Objekten ist. Diese Entdeckung beweist, wie wichtig es ist, mehrere und verschiedene Kriterien für die Auswahl von Objekten zu benutzen. Der Blazar 1ES 1727+502 wurde aus einem X-ray Katalog ausgesucht, die Datennahme war unabhängig von dem Aktivitätsstatus der anderen Energiebänder. Die Blazare 3C 279 und PKS 1510-089 gehören zu der Unterklasse des Flat Spectrum Radio Quasars. Es gibt nur drei bekannte Flat Spectrum Radio Quasare. Die Entdeckung von Flat Spectrum Radio Quasaren ist schwierig, weil im leisen Zustand der hochenergetische Fluss niedrig ist. Während eines Flares steigt der Fluss in sehr kurzer Zeit um mehrere Größenordnungen an, deswegen ist die Beobachtung eines Flares schwer zu realisieren aber physikalisch äußerst interessant. Die MAGIC Beobachtungen sind mit Messungen aus anderen Energiebändern kombiniert. Mögliche Interpretationen des beobachteten Verhaltens werden diskutiert. Die Ergebnisse werden erläutert und mit historischen Beobachtungen verglichen. Die offenen Fragen und Probleme, die Ziel zukünftiger Studien sein sollen, werden am Schluss hervorgehoben. / This PhD thesis addresses the problem of understanding the very high energy emission from active galactic nuclei as detected with the MAGIC telescopes. Active galactic nuclei are galaxies powered by the release of gravitational energy of stellar material falling into a black hole, located in their core. Two opposed jets extend from the central region outwards, if one of the them points towards the observer, the source is called a blazar. In this thesis the analysis of MAGIC observations of three different blazars is presented: the newly discovered very high energy blazar 1ES 1727+502, and the two known objects 3C 279 and PKS 1510-089. The source 1ES 1727+502 belongs to the subclass of BL Lac objects, the most numerous class of extragalactic very high energy emitters. This source was selected for observations from an X-ray catalogue and was observed even if no high activity states were reported at lower energies. For this reason, this discovery proves the importance of using several criteria for the selection of very high energy observation targets. The other two objects, 3C 279 and PKS 1510-089, belong to the subclass of flat spectrum radio quasars. We count only three representatives of this class in the very high energy domain. Their detection is critical because during quiescent states they have low flux levels at very high energies. During flaring states, flat spectrum radio quasars exhibit flux enhancements of orders of magnitudes and short time scales. Observations during such states, difficult to catch, are interesting because extreme processes are taking place. Very high energy observations of these three objects are complemented with measurements at lower energies and interpretations of the observed behaviours are discussed. The results are compared with historical observations, highlighting open questions and problems which should be addressed by future studies.

Objective: To determine if paternal preconception exposure to ionizing radiation through uranium mining increases the risk of congenital anomaly (CA) in offspring. Methods: A population-based matched case-control study was conducted. Cases were infants with CAs recorded in the Canadian Congenital Anomalies Surveillance System and born alive in Ontario 1979-86 (ICD-9 codes 740-759); controls were liveborn infants without CAs identified from Ontario birth certificates and individually matched to cases (case-control file {CCF}). Exposed fathers were identified through the linkage of the CCF to the Mining Master File or the National Dose Registry file, which include those who worked in Ontario uranium mines 1952-1986. For men who linked with a case or control child, radon, gamma and total gonadal doses were estimated for three preconception periods: entire, 3-months and 6-months. Odds ratios were estimated using conditional logistic regression. Results: Linkage of 28,991 uranium miners and 40,482 case-control pairs of fathers and offspring in the CCF identified 431 discordant pairs. There was no evidence of increased risk of a child having a CA if the father was ever a uranium miner before conception of the child (OR=0.89, 95% CI=0.74–1.08). Since gamma radiation (especially during the 6-month preconception period) is more biologically relevant to gonads than radon, further analyses were performed on 117 discordant pairs where data on gamma exposures were available. When ever/never miner, exposed to gamma (yes/no), and gamma dose-response variables were all in the model, there was no ever/never miner effect (OR=1.20, 95% CI=0.85–1.69, p-value=0.30), an inverse association for exposure to gamma (OR=0.42, 95% CI=0.25–0.71, p-value=0.001), but most importantly, there was no statistically significant dose-response relationship between gamma dose during the 6-month preconception period and all CAs (OR=1.15 per loge {mSv+0.01}, 95% CI=0.83–1.59, p-value=0.40). Similarly, no dose-response relationship was observed for exposure to gamma radiation in the 3-month preconception period, or for radon or total gonadal radiation in the 3- or 6-month preconception periods. Conclusion: There was no increased risk of a CA among liveborn children of Ontario uranium miners who were exposed to radon, gamma or total radiation during the 3- or 6-month periods before conception.