Este trabalho tem como objetivo o estudo da matéria nuclear a altas densidades considerando-se as fases hadrônica e de quarks à temperatura nula e finita, com vistas a aplicações no estudo de propriedades estáticas globais de estrelas compactas. Parte dos cálculos apresentados nesta dissertação foram realizados por diferentes autores. Entretanto, em geral, estes trabalhos limitaram-se ao estudo da matéria nuclear em regiões de densidades e temperaturas específicas. Este estudo visa, por sua vez, o desenvolvimento de um tratamento amplo e consistente para estes sistemas, considerando-se diferentes regimes de densidade e temperatura para ambas as fases, hadrônica e de quarks. Buscamos com isso adquirir conhecimento suficiente que possibilite, não somente a ampliação do escopo dos modelos considerados, como também o desenvolvimento, no futuro, de um modelo mais apropriado à descrição de propriedades estáticas e dinâmicas de estrelas compactas. Ainda assim, este trabalho apresenta novos aspectos e resultados inéditos referentes ao estudo da matéria nuclear, como descrevemos a seguir. No estudo da matéria nuclear na fase hadrônica, consideramos os modelos da teoria quântica de campos nucleares desenvolvidos por J. D. Walecka, J. Zimanyi e S. A. Moszkowski, e por J. Boguta e A. R. Bodmer, e conhecidos, respectivamente, como Hadrodinâmica Quântica, ZM e Não-Linear. Nestes modelos a matéria nuclear é descrita a partir de uma formulação lagrangeana com os campos efetivos dos bárions acoplados aos campos dos mésons, responsáveis pela interação nuclear Neste estudo consideramos inicialmente a descrição de propriedades estáticas globais de sistemas nucleares de muitos corpos à temperatura nula, como por exemplo, a massa efetiva do núcleon na matéria nuclear simétrica e de nêutrons. A equação de estado da matéria de nêutrons possibilita a descrição de propriedades estáticas globais de estrelas compactas, como sua massa e raio, através da sua incorporação nas equações de Tolman, Oppenheimer e Volkoff (TOV). Os resultados obtidos nestes cálculos estão em plena concordância com os resultados apresentados por outros autores. Consideramos posteriormente o estudo da matéria nuclear com graus de liberdade de bárions e mésons à temperatura finita, com particular atenção na região de transição de fase. Para este estudo, incorporamos aos modelos considerados, o formalismo da mecânica estatística à temperatura finita. Os resultados obtidos, para as propriedades da matéria nuclear à temperatura finita, concordam também com os resultados obtidos por outros autores. Um aspecto inédito apresentado neste trabalho refere-se à incorporação de valores para os pontos críticos da transição de fase, ainda não determinados por outros autores. O comportamento do calor específico também é analisado de forma inédita nesta dissertação no tratamento utilizado com os modelos Não-Linear e ZM. Utilizamos a equação de estado da matéria de nêutrons à temperatura finita nas equações TOV, determinando propriedades globais de uma estrela protoneutrônica Observamos neste trabalho que ocorre um aumento da massa máxima da estrela com o aumento da temperatura, comportamento este já previsto por outros autores em diferentes modelos. Posteriormente incorporamos ao formalismo à temperatura finita, o equilíbrio químico, a presença de graus de liberdade leptônicos para elétrons e múons e a neutralidade de carga. Apresentamos nesta etapa do trabalho, uma forma alternativa para a incorporação destes ingredientes, baseada na determinação de uma fração relativa entre os potenciais químicos de prótons e nêutrons, à temperatura nula, extendendo este resultado à temperatura finita. Este procedimento permite a determinação da distribuição de núcleons e léptons no interior de uma estrela protoneutrônica, onde incluímos ainda a presença de neutrinos confinados. No estudo da matéria de quarks, consideramos o modelo de sacola do Massachussets Institute of Technology (MIT). Incorporando as equações TOV neste estudo, determinamos propriedades globais de estrelas de quarks, bem como a distribuição dos diferentes sabores de quarks no interior estelar. Como principal resultado, obtivemos uma equação de estado geral para a matéria hadrônica e de quarks, introduzida nas equações TOV, e analisamos a existência de estrelas híbridas. Os resultados obtidos nesta etapa do trabalho são totalmente coerentes com aqueles obtidos por outros autores.

o modelo de sacola difusa é um modelo hadrônico que possui aspectos tanto do modelo de sacola do MIT (conservação da energia e momentum, energia de vácuo da QCD) quanto dos modelos de potencial relativísticos (confinamento obtido através de um potencial). O modelo desenvolvido também é um modelo quiral, com a propriedade única de que o campo piônico é suprimido no interior da sacola por meio de um potencial escalar, e no entanto a simetria quiral é preservada. O modelo também é único em que podese controlar o quanto o campo piônico pode penetrar no interior da sacola (em todos os outros modelos, os píons ou entram livremente na sacola ou permanecem totalmente excluídos de seu interior). Nós calculamos as massas do octeto fundamental dos bárions levando em conta as correções de centro de massa, troca de um glúon e troca de um píon. Também calculamos a constante de acoplamento píon-núcleon, a carga axial do núcleon, assim como os raios de carga, momentos magnéticos e fatores de forma eletromagnéticos do próton e do neutron. Exceto pelos fatores de forma eletromagnéticos, a concordância com os resultados experimentais foi excelente, e os resultados indicam que o campo piônico é suprimido somente na vizinhança do centro da sacola.

Orientador: José Augusto Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-20T02:47:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vicente_ElaineCristinaFarinchondePadua_M.pdf: 2256081 bytes, checksum: b35748a03035f4aa2a7be12161501597 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho apresentamos a importância das câmaras de fotoemulsão que continuam, após décadas de uso, a oferecer atrativos para a física de partículas elementares. Citamos o detector OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), que é o maior detector de câmara de fotoemulsão-chumbo já construído (nove milhões de filmes de emulsão nuclear) como exemplo de sua aplicação na atualidade. Ele está presente no experimento de fluxo de neutrinos CNGS. Apresentamos também o detector CASTOR (Centauro And STrange Objects Research), que é um calorímetro hadrônico e eletromagnético de tungstênio e quartzo, desenvolvido para aprimorar o desempenho do experimento CMS (Compact Muon Solenoid) do LHC na região frontal. O CASTOR foi criado entre outras coisas, para o estudo de hádrons de longa penetração, observado em eventos de raios cósmicos ricos em hádrons. Estes foram identificados e chamados de strangelets. A proposta dos strangelets é que estes seriam produtos de decaimento de matéria de quarks rica em bárions, penetrariam grandes profundidades no chumbo e sairiam do detector quase não atenuados. Introduzimos os conceitos de chuveiros extensos atmosféricos e a técnica de câmara de fotoemulsão usada para o estudo destes. Ao mencionarmos o uso de câmaras de fotoemulsão em experimentos de montanha, não podemos deixar de citar a colaboração Brasil-Japão que detectou um evento exótico que passou a ser chamado de Centauro, por ter grande momento transversal. Além disso, a ausência de píons neutros é uma característica marcante deste tipo de evento. Vários outros eventos de mesmo tipo foram encontrados e a busca continua até hoje. Ainda falando sobre chuveiros atmosféricos, citamos como era feita a classificação de cascatas locais originadas pelas partículas da frente do chuveiro, na literatura das câmaras de fotoemulsões. O perfil longitudinal (em profundidade) de cada cascata local é usado para se determinar a energia da partícula incidente e também é um indicativo da sua natureza ¿ se faz parte da componente eletromagnética (elétron, pósitron ou gama) ou componente hadrônica. Cada cascata local observada é associada a um desses dois grupos. Apresentamos o software Geant como ferramenta de simulação deste trabalho. Originalmente desenvolvido no CERN para experimentos da física de altas energias, atualmente Geant é utilizado em outros campos como medicina e astrofísica. A versão mais recente (Geant4) também inclui tratamento de nêutrons de baixa energia (< 20 MeV) e de íons. Para a física de nêutrons, o Geant4 possui implementação de modelos de nêutrons de alta precisão que incluem os processos de colisões elásticas e inelásticas, captura e fissão. Para o tratamento de íons, foram implementados processos de colisão inelástica, decaimento radioativo e dissociação eletromagnética implementados para simulações. Apresentamos a geometria dos detectores tipo CBJ e tipo Pamir implementada com os recursos do Geant4. O detector tipo CBJ foi construído para o estudo de cascatas locais, produzidas em chumbo ou em carbono, no caso em que uma camada de ar serve como meio onde os secundários propagam-se e separam-se de modo a serem identificados a distâncias de centenas de micra ou mais; o perfil longitudinal é sempre usado para a análise. O detector tipo Pamir, composto somente de chumbo e filmes fotossensíveis, foi construído para o estudo de partículas de longa penetração e para analisar as profundidades em que os nêutrons podem iniciar cascatas em seu interior. Com os resultados obtidos, percebemos que há hádrons que podem interagir em grandes profundidades no chumbo, como o nêutron, em situações que poderiam ser erroneamente identificados como strangelets. Para determinar as características das cascatas assim produzidas, usamos o tratamento de colisões hadrônicas recentemente implantado no GEANT4. Este é um resultado importante deste trabalho ¿ mostramos que há uma probabilidade de identificação falsa de partículas / Abstract: This work introduces the importance of photoemulsion chambers that remain in use after decades and still offer many advantages for elementary particle physics. We cite OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) detector that is the greatest lead photoemulsion chamber detector ever constructed as an example of its application nowadays (nine million nuclear emulsion films). We also introduce the CASTOR detector (Centauro And STrange Objects Research) that is a hadronic and electromagnetic calorimeter of tungsten and quartz developed to improve the performance of CMS (Compact Muon Solenoid) experiment of LHC in its frontal region. One of most important features of Castor is its long dimension in the frontal region, which is suited to study long penetrating hadrons, as they appear in hadron-rich cosmic rays events. These hadrons were identified and called strangelets. The proposal of strangelets is that they were a result of baryon-rich quark matter decay and that they would penetrate great depth in lead and would leave the detector almost unattenuated. We presented the basic concepts of extensive air shower and the photoemulsion chamber technique used for its study. We introduce the use of photoemulsion chambers in mountain experiments and cited the Brasil-Japão Collaboration that detected an exotic event called Centauro for having large cross section. Besides, the absence of neutral pions is a remarkable feature of this type of event. Many other events of this type were detected and its search remains until today. Still talking about atmospheric showers, we cited how the classification of local cascades originated by frontal particles of shower were made in photoemulsion chamber literature. The longitudinal profile (in depth) of each local cascade is used to determine the energy of entering particle and it is also a signal of its nature ¿ if it is a part of electromagnetic component (electron, positron or gamma) or hadronic component. Each local cascade is observed is associated to one of these groups. We present Geant software as the simulation tool of this work. Originally developed at CERN for experiments of high energy physics, presently Geant is used in others fields as medicine and astrophysics. The most recent version of Geant is Geant4 and also includes low energy neutrons (< 20 MeV) and ion treatment. For neutron physics, Geant4 has the implementation of very high precision neutron models that include elastic and inelastic collision process, capture and fission. For ion treatment, we have inelastic collisions, radioactive decay and electromagnetic dissociation implemented for simulations. We introduce the CBJ and Pamir detectors geometry implemented with Geant4 resources. The CBJ detector was constructed to study local cascades produced in lead or carbon when an air layer is used as a mean where secondary particles propagates and are separated in distances of micra or greater. The longitudinal profile is always used for the analysis. The Pamir detector, made of only lead and photosensitive films, was constructed to study long penetrating particles and to study the depths that neutrons begins its cascade. The results obtained show that there are hadrons, for instance neutrons, interacting in great depths of lead in cases that it could be misidentified as strangelet. To determine the features of cascades produced this way, we used the hadronic collision treatment recently implemented in Geant4. This is an important result because we showed that there is a probability of false identification of particles / Mestrado / Física / Mestra em Física

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21558号 / 理博第4465号 / 新制||理||1641(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 大西 明, 教授 青木 慎也, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

A search for Higgs boson pairs produced in the decay of high mass exotic resonances is presented. The search uses the bb̄bb̄ final state, analyzing 139 fb⁻¹ of proton–proton collision data at √s = 13 TeV collected with the ATLAS detector. Spin-0 and spin-2 benchmark signal models are considered and no significant deviation from the Standard Model prediction is observed. The search is combined with a complementary analysis for lower mass resonances to set upper limits on the production cross-section times HH branching ratio of new resonances in the mass range of 251 GeV to 5 TeV. In addition, the methodology for the in-situ calibration of a novel double-b-tagging algorithm (Xbb2020) using gluon to bb̄ decays is presented. Preliminary scale factors for Monte-Carlo simulation are computed using 139 fb⁻¹ of √s = 13 TeV pp collision data collected with the ATLAS detector. The completed calibration will allow the Xbb2020 algorithm to be used in future ATLAS searches for H → bb̄ decays.

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Le but de cette thèse est de développer les techniques et les connaissances en imagerie par particules chargées pour l’application en radiothérapie par hadrons. Dans un premier temps, les techniques d’estimation de parcours sont étudiées de façon phénoménologique et subséquemment retrouvée depuis une approache physique théorique, pour chaque ion depuis le proton jusqu’au carbone. Les techniques prenant en compte la connaissance préalable du milieu ont aussi été étudiées pour obtenir l’estimé de parcours le plus précis pour toute particule chargée. À l’aide de cet estimé de parcours précis et rapide, nous nous sommes par la suite penchés sur le problème de la reconstruction tomographique par particules chargées. La première étape de ce processus était l’inclusion de l’algorithme d’estimation de parcours développé précédemment dans les techniques conventionnelles de reconstruction itérative tomographique, telle que la reconstruction algébrique itérative, par particules chargées. Nous nous sommes rapidement aperçus de la lenteur du processus de reconstruction itérative et des problèmes de convergence reliés à ce type d’optimisation. Face à ces difficultés, nous avons décidé de développer notre propre algorithme de reconstruction tomographique dont la principale différence est l’optimisation individuelle des projections radiographiques. L’idée principale de notre algorithme est de diviser l’objet de la reconstruction en voxels et de retrouver le pouvoir d’arrêt d’une colonne de voxels de façon à ce qu’il maximise la probabilité de l’énergie perdue des protons qui la traversent. Le parcours des protons dans chaque colonne de voxels est calculé par l’algorithme de prédiction de parcours développé au début de la thèse. De cette façon, nous optimisons la résolution spatiale des radiographies individuellement. Les nouvelles radiographies peuvent par la suite être utilisées comme données d’entrée dans un algorithme conventionnel de reconstruction tomographique. La reconstruction tomographique nécessite un grand nombre de projections et celles-ci peuvent être longues à acquérir, ce qui est problématique dans un contexte clinique où le temps de faisceau est précieux et limité. Il existe donc une exigence d’efficacité et d’optimisation de la procédure. Dans cette optique, la prochaine partie de cette thèse s’est concentrée sur l’utilisation d’un ensemble limité de radiographies pour retrouver les paramètres de pouvoir d’arrêt dans les tissus, et ce de façon spécifique à un patient. La rationnelle de ce projet est que les radiographies peuvent être acquises rapidement, directement avant le traitement. Nous avons étudié la possibilité de combiner cet ensemble limité de radiographies avec l’image tomodensitométrique à simple énergie acquise lors du diagnostic. Une méthode permettant d’effectuer ce processus à été développée et évaluée sur différents fantômes anthropomorphiques représentant différentes sections du corps humain. Il a été prouvé qu’avec un nombre limité de radiographies, acquérable rapidement avant le traitement, il est possible de retrouver le pouvoir d’arrêt massique dans les tissus spécifiques à un patient avec une grande précision (&lt; 1% d’erreur par rapport à la référence). Pour terminer la thèse, nous avons procédé à l’application expérimentale des différents algorithmes développés théoriquement. En collaboration avec le DKFZ (Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Allemagne), le HIT (Heavy Ion Therapy facility, Heidelberg, Allemagne) et la collaboration proton-CT (Loma Linda University, University of California San Francisco, University of California Santa Cruz, University Baylor, États-Unis) nous avons mis en place une expérience de tomographie par particules d’hélium. Nous avons pu utiliser le synchrotron du HIT en combinaison avec le détecteur proton-CT développé par la collaboration éponyme pour produire et détecter à la fois en entrée et en sortie un faisceau de particules chargées traversant un médium pré-déterminé. Cette étude nous a permis d’évaluer le bruit et la précision atteignable en imagerie tomographique par particules chargées. / The goal of this thesis is to develop methodology and knowledge in charged particle imaging for application in hadron radiotherapy. First, the various existing algorithm to estimate the path of a charged particle crossing a medium have been studied as a function of their efficiency and accuracy. To find an optimal solution for those two constraints, a phenomenological model has been developed that predict the most likely particle path in a medium. It was subsequently grounded in a solid physical background and extended to every ion up to carbon. Furthermore, prior-knowledge techniques were introduced to obtain the highest accuracy in the path estimate prediction for any ions. With these techniques in hand, we then approached the problem of tomographic reconstruction of charged particle radiographies. The first step of the work was to introduce the aforementioned path estimate method into a conventional charged particle reconstruction algorithm such as the algebraic reconstruction technique. This process requires a large calculation time that prevents an efficient reconstruction in a clinical work-flow, and suffer from convergence problems that leave the images with a high-noise level. Thus, it was decided to develop our own tomographic reconstruction algorithm in which the main difference resided in the optimization of individual projections. In our algorithm, the object was discretized into voxels and the average relative stopping power through voxel columns defined from the source to the detector pixels is optimized such that it maximizes the likelihood of the proton energy loss. The length spent by individual protons in each column is calculated through the path estimate. In this way, the spatial resolution of individual radiographies is optimized. The new radiographies can then be fed into a conventional X-ray tomographic algorithm, such as FDK, for a high resolution pCT reconstruction. The tomographic reconstruction requires a large number of projections and each can be individually long to acquire. This might cause problem into a clinical context where the beam time is costly and limited. There is a demand for efficiency in the procedure, which requires optimization of the algorithms. In this context, the next part of the thesis consisted on developing a method to utilize a subset of proton radiographies to retrieve stopping power parameters specific to the patient. This was done because a fewer number of radiographies can be acquired rapidly prior to the treatment. We studied the possibility of combining those subset of proton radiographies (usually either a single radiography or a pair) with single-energy X-ray tomographic images acquired prior for diagnostic. A new algorithm was develop to combine these two types of images and evaluated against various anthropomorphic phantoms that represents three body sites, the lung, the pelvis and the head. It has been shown that with a limited number of radiographies, it is possible to retrieve stopping power specific to the patient with an RMS error to the ground truth below 1%. The last part of the work was the experimental validation of the various algorithms developed. In collaboration with the (Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg), the HIT (Heavy Ion Therapy facility, Heidelberg) and the pCT collaboration (Loma Linda University, University of California San Francisco, University of California Santa Cruz, University Baylor), we designed an experiment to acquire charged particle tomographic images. To do so, we used the HIT’s synchrotron to produce a collimated beam of charged particle combined with the pCT detector to detect the particle before and after having crossed a pre-determined medium. This study allowed us to evaluate the noise, the spatial resolution and the precision achievable with charged particle imaging tomography.

La recherche d’une théorie décrivant les états de hadrons à basse énergie est primordial pour la compréhension complète de la chromodynamique quantique. Dans ce domaine, les théories de Skyrme sont encore reconnues comme d’excellentes candidates. Existant depuis plus de soixante ans, plusieurs extensions ont été proposées et une d’entre elles fera l’objet de ce mémoire : l’extension quasi-BPS (Bogomol’nyi-Prasad-Sommerfield). L’énergie classique des configurations de ce modèle BPS est près de saturer une certaine borne qui assure que les états de la théorie ne seront presque pas liés, ce qui se rapproche grandement de l’observation expérimentale. La possibilité de réintroduire une énergie de liaison par l’ajout de perturbations ainsi que diverses contributions énergétiques ressortant de la quantification des états sera examinée. Nous verrons que cette approche est prometteuse, puisqu’elle permet d’obtenir des prédictions convaincantes sur la majorité des caractéristiques des noyaux atomiques.

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées.

Cette thèse décrit la recherche de nouvelles particules scalaires octets de couleur dans les données de l'expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Pour une large gamme de masse, la désintégration de ces scalaires en deux partons du MS domine. Cela motive la recherche de ces nouveaux scalaires dans des états finaux multijet, où ils se signaleraient comme des résonances dijet. Comme les nouveaux scalaires sont produits par paires, un état final contenant au moins quatre jets est utilisé comme environnement de recherche. Une méthode est développée pour extraire une possible résonance multijet scalaire du grand fond QCD et est utilisée pour chercher de tels scalaires dans les données de l'expérience ATLAS collectées en 2010 et 2011. Les données sont en accord avec l'estimation du fond et des limites sont posées sur la section efficace de production des scalaires en fonction de leur masse. En interprétant ces limites dans des modèles de supersymétrie, le gluon scalaire du MRSSM et du modèle hybride N=1/N=2 est exclu à 95 % CL entre 100 et 287 GeV. Les limites sont aussi interprétées dans un modèle de symétrie de jauge à la QCD, où le sgluon est remplacé par l'hyperpion qui est exclu dans une gamme de masse légèrement plus restreinte de part sa section efficace plus faible. / This thesis describes the search for new color-octet scalar particles in the ATLAS experiment data at the Large Hadron Collider (LHC). For a wide range of mass, the decay of the scalar to two SM partons dominates. This motivates the search for these new scalars in multijet final states, where they would manifest as dijet resonances. As the new scalars are products in pairs, a final state containing at least four jets is used as a search environment. A method is developed to extract a possible scalar resonance from the multijet QCD background and is used to search for such scalar in the data from the ATLAS experiment collected in 2010 and 2011. The data are in agreement with the estimation of the background and limits are set on the scalar production cross section as a function of the scalar mass. Interpreting these limits in models of supersymmetry, the scalar gluon of the MRSSM and of the hybrid N=1/N=2 model is excluded at the 95 % CL between 100 and 287 GeV. Limits are also interpreted in a model of gauge symmetry à la QCD, where the sgluon is replaced by the hyperpion excluded in a mass range slightly smaller because of its smaller cross section.