<p>This thesis describes a new experimental approach that has been designed to determine the alpha-branching ratio of the 4.03-MeV excited state of Ne-19. A precise measurement of this quantity is needed to reduce reaction rate uncertainties in Type I x-ray bursts models. The alpha-branching will be measured by the detection of the beta+ activity of the associated alpha-decay product. This activity method has been modelled using two separate simulations. The first, a Monte Carlo code to simulate the reaction process and energy distributions of the decay products. Secondly, a GEANT4 simulation was created to predict the detector response to the O-15 beta+ activity. Along with the simulations two NaI(Tl) detectors, which were customized to this experiment's geometric constraints, have been tested and their response and resolution have been determined. The results of this work will be used to refine the experimental setup such that the proposed test run and eventual alpha-branching ratio measurement of the 4.03-MeV state will be successful. With the results of the simulations and subsequent yield calculations, it has been found that reasonable statistical significance in the O-15 yield from the 4.03-MeV excited state in Ne-19 can be achieved within 10 days of beamtime.</p> / Master of Science (MSc)

Astrophysical phenomena such as self-annihilation of primordial black holes (PBHs), gamma ray bursts (GRBs), and supernovae are expected to produce single dispersed pulses detectable in the low end of the radio spectrum. Analysis of these pulses could provide valuable information about the sources, and the surrounding and intervening medium. The Eight-meter-wavelength Transient Array (ETA) is a radio telescope dedicated to the search for these pulses in an 18 MHz bandwidth centered at 38 MHz. ETA consists of 10 dual-polarized active dipoles providing an all-sky field of view. This thesis describes the results of a search campaign using ETA, namely, a Crab giant pulse (CGP) search. CGPs are already known to exist, and thus provide an excellent diagnostic for system performance. We found 11 CGP candidates in 14 hours of data. Although there has not been a single compelling detection (signal-to-noise ratio > 6), our analysis shows that at least a few of these candidates may be CGPs. We also explain the analysis preparation for PBH and GRB searches. Additionally, we describe the instrument and a software "toolchain" developed for the analysis of data that includes calibration, radio frequency interference (RFI) mitigation, and incoherent dedispersion. A dispersed pulse simulation code was developed and used to test the toolchain. Finally, improvements are suggested. / Master of Science

J'ai effectué une étude des éléments C, N, et O dans les atmosphères d'étoiles chimiquement particulières de la séquence principale, où ils sont sous-abondants et répartis de manière inhomogène. J'ai recensé les processus physiques qu'il faut inclure dans les calculs d'accélération radiative et montré leur importance relative. Des améliorations majeures par rapport aux approximations usuelles ont été obtenues grâce à l'utilisation systématique des données atomiques du projet OPACITY. Elles permettent de calculer précisément la dépendance en fréquence des opacités, et d'améliorer l'évaluation des largeurs de raies. Les contributions des raies et de la photoionisation sont calculées pour chaque ion et l'accélération totale sur un élément donné est obtenue grâce à un modèle prenant en compte les réactions rapides entre ions. Les accélérations radiatives calculées pour le carbone, l'azote, et l'oxygène, les poussant vers le haut, apparaissent inférieures à la gravité dans tous les modèles d'enveloppe considérés (étoiles de type A à F), pour une large gamme de paramètres, expliquant leurs déficits marquées à la surface de la plupart des étoiles chimiquement particulières. Des tables donnant d'une part l'opacité de ces éléments, d'autre part leur accélération radiative sur une grille contenant de nombreuses conditions de plasma permettent d'effectuer des calculs d'évolution stellaire prenant en compte tous les aspects de la diffusion des éléments C, N, et O, les plus abondants après H et He. <br /> <br />Je me suis ensuite intéressé aux étoiles de type lambda Bootis, un petit sous-groupe singulier d'étoiles chimiquement particulières, dont les anomalies d'abondance ne sont pas expliquées par le modèle de la diffusion radiative. Il s'agirait plutôt d'étoiles jeunes, encore entourées des restes du disque à partir duquel elles se sont formées, et dont elles accrèteraient un gaz appauvri en éléments lourds, ceux-ci s'étant condensés en grains. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons recherché la signature de matière circumstellaire dans le spectre de ces étoiles. Peu d'étoiles de notre échantillon montrent un tel indice et nos résultats suggèrent une anti-corrélation entre la présence de gaz ou de poussières, pouvant caractériser deux états différents dans l'évolution du disque protostellaire. Au cours de cette étude, nous avons découvert par hasard le premier cas de pulsations non radiales dans une étoile de type lambda Bootis, puis montré qu'elles sont communes dans ce groupe. L'identification des modes de pulsation permet de remonter à la structure interne de ces étoiles et à leur état d'évolution, permettant ainsi de tester le modèle d'accrétion. <br /> <br />Mon étude des environnements circumstellaires des étoiles lambda Bootis m'a conduit à m'intéresser aux disques protoplanétaires. Jusqu'à récemment, nous n'avions observé qu'un seul système solaire (le nôtre) dans lequel nous pouvions tester notre compréhension du processus de formation de planètes. Maintenant, plus d'une centaine de planètes ont été découvertes autour d'autres étoiles et les contraintes sur les modèles théoriques sont devenues très serrées. Nous savons que, dans la nébuleuse solaire, les particules de poussière de la taille du micron se sont agglomérées pour former des planètes, objets 10^13 à 10^14 fois plus grands. Bien qu'il y ait beaucoup de travail réalisé sur les dernières étapes de cette formation, et sur la migration de planètes déjà formées, peu de travail a été fait pour développer des modèles hydrodynamiques décrivant l'interaction du gaz et de la poussière dans les disques proto-planétaires. Nous développons un code hydrodynamique SPH permettant de modéliser cette interaction, principalement par la force de friction, entre deux phases: du gaz et des grains de poussière d'une taille donnée. Nous obtenons ainsi la répartition spatiale des grains dans le disque en fonction de leur taille. Ce travail correspond à la thèse de Laure Barrière-Fouchet, qui se termine en 2005. Nous projetons ensuite d'ajouter les mécanismes de coagulation, croissance, et évaporation des grains de poussière en modélisant plusieurs phases pour différentes tailles de grains et la variation du nombre de particules dans chaque phase qui en résulte. Ceci permettra de caractériser les zones du disque les plus favorables à la formation de planétésimaux. Ensuite, il s'agira d'explorer plus profondément les mécanismes de formation de planètes. En effet, si l'on arrive assez bien à faire croître les grains microscopiques jusqu'à une taille de l'ordre du centimètre, les collisions entre ces gros grains les refragmentent et empêchent de dépasser cette taille. Plusieurs solutions sont à envisager pour permettre de passer ce cap: diminution des vitesses de collisions dans les régions plus denses, rôle de la turbulence, etc... <br /> <br />Un peu à part de mes travaux précédents, avec mes collègues de l'ESO, j'ai observé et pris le premier spectre de la contrepartie optique du sursaut gamma GRB980425, qui s'est avéré être une supernova très particulière: SN1998bw. Son spectre en évolution rapide ne permettait pas de classer cette supernova, la première à être associée à un sursaut gamma, dans les types connus. Notre équipe a suivi régulièrement l'évolution de sa courbe de lumière et de son spectre, la somme de données recueillie ayant conduit à un modèle d'hypernova.

Du fait d'une demande croissante du marché concernant les réseaux de capteurs sans-fil, le développement de nouvelles solutions radio devient nécessaire afin de répondre aux contraintes de coût, de consommation, de débits et de durée de vie de ces domaines d'applications émergents.<br />Associée à ce contexte applicatif, cette thèse propose dans un premier temps une présentation des fondamentaux de la technologie Ultra Large Bande (ULB) suivie par un statut sur la réglementation mondiale et le standard IEEE 802.15.4a ; un cahier des charges d'un émetteur impulsionnel est ainsi établi. Confronté à un état de l'art des générateurs d'impulsions, il met en lumière la nécessité de développer de nouveaux émetteurs, ce que nous proposons à travers une architecture basée autour d'un DAC RF différentiel fonctionnant à 4GHz. Un principe novateur de génération de bursts compatibles avec le standard IEEE 802.15.4a est ensuite développé ; il permet de réduire la complexité globale de l'émetteur. Dans un second temps, l'architecture proposée est dimensionnée au niveau de ses blocs numériques et RFs puis son implémentation est effectuée dans la technologie ST CMOS 65nm. Le principe fonctionnel de l'architecture du générateur est validé par la mesure du circuit qui affiche une efficacité de 38pJ par impulsion pour une fréquence de répétition de 500MHz et une puissance moyenne de sortie de 0dBm.

The research work presented in this thesis describes the development and testing of a new data analysis methodology for the automated near real-time detection and approximate location of pipe bursts and other events which induce similar abnormal pressure/flow variations (e.g., unauthorised consumptions, equipment failures, etc.) in Water Distribution Systems (WDSs). This methodology makes synergistic use of several self-learning Artificial Intelligence (AI) and statistical/geostatistical techniques for the analysis of the stream of data (i.e., signals) collected and communicated on-line by the hydraulic sensors deployed in a WDS. These techniques include: (i) wavelets for the de-noising of the recorded pressure/flow signals, (ii) Artificial Neural Networks (ANNs) for the short-term forecasting of future pressure/flow signal values, (iii) Evolutionary Algorithms (EAs) for the selection of optimal ANN input structure and parameters sets, (iv) Statistical Process Control (SPC) techniques for the short and long term analysis of the burst/other event-induced pressure/flow variations, (v) Bayesian Inference Systems (BISs) for inferring the probability of a burst/other event occurrence and raising the detection alarms, and (vi) geostatistical techniques for determining the approximate location of a detected burst/other event. The results of applying the new methodology to the pressure/flow data from several District Metered Areas (DMAs) in the United Kingdom (UK) with real-life bursts/other events and simulated (i.e., engineered) burst events are also reported in this thesis. The results obtained illustrate that the developed methodology allowed detecting the aforementioned events in a fast and reliable manner and also successfully determining their approximate location within a DMA. The results obtained additionally show the potential of the methodology presented here to yield substantial improvements to the state-of-the-art in near real-time WDS incident management by enabling the water companies to save water, energy, money, achieve higher levels of operational efficiency and improve their customer service. The new data analysis methodology developed and tested as part of the research work presented in this thesis has been patented (International Application Number: PCT/GB2010/000961).

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Neurons can respond to input by firing isolated action potentials or spikes. Sequences of spikes have been linked to the encoding of neuron input. However, many neurons also fire bursts; mechanistically distinct responses consisting of brief high-frequency spike firing. Bursts form separate response symbols but historically have not been thought to encode input. However, recent experimental evidence suggests that bursts can encode input in parallel with tonic spikes. The recognition of bursts as distinct encoding symbols raises important questions; these form the basic aims of this thesis: (1) What inputs do bursts encode? (2) Does burst structure provide extra information about different inputs. (3) Is burst coding robust against the presence of noise; an inherent property of all neural systems? (4) What mechanisms are responsible for burst input encoding? (5) How does burst coding manifest in in-vivo neurons. To answer these questions, bursting is studied using a combination of neuron models and in-vivo hippocampal neuron recordings. Models ranged from neuron-specific cell models to models belonging to three fundamentally different burst dynamic classes (unspecific to any neural region). These classes are defined using concepts from non-linear system theory. Together, analysing these model types with in-vivo recordings provides a specific and general analysis of burst encoding. For neuron-specific and unspecific models, a number of model types expressing different levels of biological realism are analysed. For the study of thalamic encoding, two models containing either a single simplified burst-generating current or multiple currents are used. For models simulating three burst dynamic classes, three further models of different biological complexity are used. The bursts generated by models and real neurons were analysed by assessing the input they encode using methods such as information theory, and reverse correlation. Modelled bursts were also analysed for their resilience to simulated neural noise. In all cases, inputs evoking bursts and tonic spikes were distinct. The structure of burst-evoking input depended on burst dynamic class rather than the biological complexity of models. Different n-spike bursts encoded different inputs that, if read by downstream cells, could discriminate complex input structure. In the thalamus, this n-spike burst code explains informative responses that were not due to tonic spikes. In-vivo hippocampal neurons and a pyramidal cell model both use the n-spike code to mark different LFP features. This n-spike burst may therefore be a general feature of bursting relevant to both model and in-vivo neurons. Bursts can also encode input corrupted by neural noise, often outperforming the encoding of single spikes. Both burst timing and internal structure are informative even when driven by strongly noise-corrupted input. Also, bursts induce input-dependent spike correlations that remain informative despite strong added noise. As a result, bursts endow their constituent spikes with extra information that would be lost if tonic spikes were considered the only informative responses.

Book Summary: This book extends our understanding of the mechanics and biophysics of hearing by bringing together the latest research on the topic by experts in cell and molecular biology, physiology, physics, engineering and mathematics. It contains the proceedings of the 10th International Workshop on the Mechanics of Hearing that was held at Keele University in the United Kingdom at the end of July, 2008. Topics for discussion included theoretical and experimental research at the molecular, cellular and systems levels. Separate sections of the book deal with: the transmission of sound energy to and from the inner ear, and wave propagation within the inner ear; the enhancement of stimulus wave motion that occurs in the inner ear; new measurement techniques that will underpin future innovative studies; the micro-mechanics of the basilar and tectorial membranes and the organ of Corti; cochlear dynamics; sensory hair cells and electromechanical transduction; and sensory hair-bundles and mechano-electrical transduction. The book concludes with the transcript of an open discussion session between the participants of the workshop, highlighting areas of uncertainty and controversy in the field, and pointing the way to the solutions to be sought in future research. This book reviews and synthesizes current concepts and challenges in the biophysics of hearing, and will be an invaluable guide to researchers and students in all branches of auditory science.

Some of the brightest and most energetic events in the Universe are associated with the death of stars. These stellar deaths power transient electromagnetic emission which are routinely observed on Earth. This dissertation presents our research on various such transients. Its topics includes, supernova remnants, kilonovae, gamma-ray bursts (GRBs): The "long'' type produced from core-collapse supernovae and the "short'' type associated with neutron star merger events. It also focuses on the disruption of stars by the tidal forces of supermassive black holes i.e., tidal disruption events (TDEs). We model the emission from these transients and compare them to observations in order to draw a number of conclusions and make predictions for future detections. For example, we find that the non-thermal emission from supernovae and kilonovae associated with GRBs can produce long term emission which may be detected as a re-brightening in the overall emission. The sharp cut off observed in some TDE flares can be caused by a pre-existing accretion disk present around a supermassive black hole, which is expected in active galactic nuclei. Our work successfully predicted the nature of the very first electromagnetic detection from a neutron star merger, and was able to reproduce the emission that had been observed for more than one hundred days after the merger. This dissertation also provides frameworks on how the observable features of these transients can be leveraged to probe the properties of the progenitor system and their environment. <br>

Les explosions gamma (GRB) sont des évènements extrêmement violents. Ils sont sommairement classifiés en deux groupes par leur durée : les courts et les longs. Cette classification a permis de déterminer l'origine des GRBs : une collision entre deux objets compacts pour les courts ou l'explosion d'une étoile très massive pour les longs. Une meilleure classification des GRBs longs pourrait mieux contraindre leurs propriétés. Dans ma thèse, je présente des évidences de l'existence d'une sous-classification des GRBs basés sur la faible luminosité de leurs derniers reflets. Ces explosions sont appelées Low-Luminosity Afterflow (LLA). Je présente la technique de réduction des données, la méthode de sélection de ces GRBs ainsi que leurs principales propriétés. Leur lien avec les supernovæ (SN) est mis en évidence car 64 % de tous les GRBs associés à des Sns sont des LLA GRBs. Finalement, je présente d'autres propriétés comme leur fréquence, qui semble indiquer une nouvelle distincte classe, les propriétés de leurs galaxies hôte qui montrent que ces explosions ont pour origines des galaxies formant beaucoup d'étoiles. De plus, je montre qu'il est difficile de réconcilier les différences entre les GRBs normaux et les LLA GRBs en ne considérant que des effets instrumentaux et environnementaux, ou bien une géométrie différente. Donc je conclue que les deux classes de GRBs ont des propriétés différentes. En basant l'argumentation sur la fonction de masse initiale, sur la fréquence des LLA GRBs et sur le type de SNs qui les accompagnent, j'indique qu'un système binaire est favorisé pour leur origine. / Gamma-ray bursts (GRB) are extreme events. They are crudely classified into two groups based on their duration, namely the short and long bursts. Such a classification has proven to be useful to determine their progenitors: the merger of two compact objects for short bursts and the explosion of a massive star for long bursts. Further classifying the long GRBs might give tighter constraints on their progenitor and on the emission mechanism(s). In my thesis, I present evidence for the existence of a sub-class of long GRBs, based on their faint afterglow emission. These bursts were named low-luminosity afterglow (LLA) GRBs. I discuss the data analysis and the selection method, and their main properties are described. Their link to supernova is strong as 64\% of all the bursts firmly associated to SNe is LLA GRBs. Finally, I present additional properties of LLA GRBs: the study of their rate density, which seems to indicate a new distinct third class of events, the properties of their host galaxies, which show that they take place in young star-forming galaxies. Additionally, I show that it is difficult to reconcile all differences between normal long GRBs and LLA GRBs only by considering instrumental or environmental effects, different ejecta content or a different geometry for the burst. Thus, I conclude that LLA GRBs and normal long GRBs should have different properties. In a very rudimentary discussion, I indicate that a binary system is favored in the case of LLA GRB. The argument is based on the initial mass function of massive stars, on the larger rate density of LLA GRBs compared to the rate of normal long GRBs and on the type of accompanying SNe.