Apresento as investigações realizadas durante estes quatro anos de doutorado no Grupo de Fenomenologia de Partículas de Altas Energias (GFPAE). Foi desenvolvido um estudo teórico/fenomenológico baseado em QCD perturbativa para processos difrativos em colisões hadrônicas e nucleares, considerando diferentes estados finais como observáveis. Este estudo tem como ponto principal a aplicação das chamadas correções de múltiplos espalhamentos de Pomerons no modelo de Ingelman-Schlein, e desta forma, fazer predições para a taxa de produção difrativa de vários tipos de partículas. Temos como ponto inicial o estudo dos eventos de espalhamento profundamente inelástico (DIS), onde a colisão lépton-próton permite estudar o conteúdo de pártons na estrutura interna dos nucleons. Estes processos são verificados no colisor HERA, dando excelentes informações sobre a subestrutura do próton. No caso de colisões hadrônicas, existe uma ampla variedade de partículas de interesse no estado final, e neste trabalho, apresento resultados para a produção difrativa de quarks pesados, quarkonia e o bóson de Higgs. O estudo fenomenológico desses processos é fundamental para entendermos como os hádrons são constituídos, além de como podemos descrever o Pomeron (partícula virtual portadora dos números quânticos do vácuo), servindo também como base para os experimentos desenvolverem seus aparatos e formas de medidas. Os processos difrativos possuem um sinal de fácil detecção no experimento, tendo como principal característica a verificação de uma região do detector onde nenhuma partícula ´e encontrada, região esta chamada lacuna de rapidez. O formalismo de Ingelman-Schlein (IS) é considerado para estudar o processo difrativo. Nele, o Pomeron ´e o responsável pela origem dessa lacuna, com o mesmo possuindo subestrutura. Desta forma, utilizo uma recente função para a distribuição de pártons no Pomeron, bem como o fator de probabilidade de sobrevivência da lacuna de rapidez (correções de múltiplos espalhamentos). Realizamos então estimativas teóricas para a taxa de produção difrativa de J/ , _, c¯c, b¯b e Higgs em colisões hadrônicas, com energias de centro de massa ps para o Large Hadron Collidr (LHC) de ps = 14 TeV, sendo que também foi realizado o estudo de produção de quarks pesados para colisões nucleares, no caso Chumbo-Chumbo (Pb-Pb) e Cálcio-Cálcio (Ca-Ca), com energias de psPb−Pb = 5.5 TeV e psCa−Ca = 6.3 TeV respectivamente, para os processos de difração simples e central. Os resultados obtidos são os primeiros na literatura a considerar a aplicação do modelo Ingelman-Schlein com correções para os observáveis citados em energias de LHC. As estimativas para a razão difrativa de produção de tais observáveis servem como uma ferramenta teórica para futura verificação e comparação com os dados a serem extraídos do colisor LHC, tendo como consequência a confirmação da validade do formalismo empregado para processos de difração dura (escala típica maior que 1 GeV) na região de altas energias. / An theoretical/phenomenological study was developed based on perturbative QCD for diffractive processes in nuclear and hadronic collisions, considering different final states as observables. This study had as main goal the application of the Pomeron Multiple Scattering corrections to the Ingelman-Schlein model, and in this way, obtaining predictions for the rate of diffractive production for several produced particles. We begin studying events of Deep Inelastic Scattering (DIS), where the lepton-proton collisions allow to verify the parton content of inner structure of the nucleons. These processes are currently studied at HERA collider, giving excelent information about the proton substructure. In the hadronic collisions, there is a huge variety of particles that can be of interest in the final state, and in this work we present results for the diffractive production of heavy quarks, quarkonia and Higgs boson. The phenomenological study of these processes is fundamental to understand how the hadrons are constituted and how we can describe the Pomeron (a virtual particle that carries the vacuum quantum numbers), being as well as a baseline to the that experiments develop their apparatus and measurements. The diffractive processes have a signal easy to be detected in the experiment, with the main characteristic being the verification of a region in the detector where low multiplicity of particles is found, this called rapidity gap. The Ingelman-Schlein (IS) formalism is considered to study the diffractive process. In this formalism, the Pomeron is responsible by the gap, with this particle having substructure. In this content, recent parton distribution functions for the Pomeron are considered, as well as the gap survival probability factor (multiple scattering corrections) are taken into account. Theoretical estimates are made for the rates of diffractive production of J/ , , c¯c, b¯b and Higgs in hadronic collisions, for the center-of-mass energy ps = 14 TeV that is the LHC energy. A study of single and central diffraction heavy quarks production in nuclear collisions was made for Lead-Lead (Pb-Pb) and Calcium-Calcium (Ca-Ca) collisions, both for LHC energies. The results obtained consider the Ingelman-Schlein application with corrections for the referred observables in the LHC energies. The estimations for the diffractive ratio for the production of these observables could be a theoretical tool for future investigations and comparison to experimental data, testing the validity of the formalism considered for hard diffraction processes (high momentum) in the high energy region.

Neste trabalho, realizamos um estudo sobre a produção de gluínos no LHC. Os gluínos são partículas de Majorana, e sua existência é predita pelos modelos supersimétricos de física de partículas, como o MSSM. Inicialmente, motivamos o estudo sobre supersimetria mostrando algumas soluções de problemas usando esta teoria e que não são possíveis de explicar a partir do Modelo Padrão de física de partículas. Trabalhamos também os conceitos fundamentais para a construção de extensões supersimétricas, como a definição de superespaço e supercampos. Com a introdução do conceito de supercampos, mostramos que o espectro de partículas do Modelo Padrão é duplicado, com a inclusão dos parceiros supersimétricos aos campos usuais. Demonstramos como são construídos dois importantes exemplos de teorias supersimétricas, a Eletrodinâmica Quântica Supersimétrica (super QED ou SQED), e a Cromodinâmica Quântica Supersimétrica (super QCD ou SQCD). Para isso, construímos as lagrangeanas destas teorias e obtivemos as regras de Feynman, em ordem dominante (LO), para os principais vértices da SQED e SQCD. Mostramos também como são introduzidos os superparceiros das partículas usuais da QED, ou seja, o selétron (superparceiro do elétron) e o fotino (superparceiro do fóton), e da QCD, ou seja, o squark (superparceiro do quark) e o gluíno (superparceiro do glúon). Como o fotino e o gluínos são partículas de Majorana, mostramos um conjunto de regras que tratam de partículas de Majorana e de Dirac de forma simples e análoga. Com estas regras, vimos como é possível fazer os cálculos para espalhamentos do tipo e−e+ → ˜γ˜γ e para os canais básicos da produção de gluínos a partir de colisões próton-próton (pp). Na última parte do trabalho, analisamos a produção de gluínos em colisões pp, bem como em colisões próton-núcleo (pA) e núcleo-núcleo (AA) no LHC, onde obtivemos que, em colisões nucleares, a produção de gluínos pode ser enaltecida ou suprimida dependendo da magnitude dos efeitos nucleares, e do cenário para quebra de SUSY. / In this work we perform a study about gluino production at the LHC. The gluinos are Majorana particles and their existence is predicted by supersymmetric models of particle physics, such as the MSSM. Initially, we motivate the study about supersymmetry by showing how it solves some problems that could not be explained by the Standard Model of particle physics. We also work the fundamental concepts such as the definition of superspace and superfields in order to construct supersymmetric extensions. With the introduction of superfields, we show that the particle spectrum of the Standard Model is duplicated, with the inclusion of the supersymmetric partners of usual fields. We demonstrate how to build two important examples of supersymmetric theories, namely the Supersymmetric Quantum Electrodynamics (super QED or SQED), and the Supersymmetric Quantum Chromodynamics (super QCD or SQCD). To do this, we build the lagrangians of these theories and obtain the Feynman rules, in leading order (LO), of the main vertices of SQED and SQCD. We also show how to introduce the superpartners of the usual particles - in SQED, one has the seletron (eletron superpartner) and the photino (photon superpartner), and in SQCD, one has the squark (quark superpartner) and the gluino (gluon superpartner). Since the photino and the gluino are Majorana particles, we show a set of rules that deal with Majorana and Dirac particles in a simple and analogous way. By using these rules, we make a full calculation of the processes e−e+ → ˜γ˜γ and of the basic channels of gluino production in proton-proton (pp) collisions. In the last part of this work, we analyse the gluino production in proton-proton, protonnucleus (pA) and nucleus-nucleus (AA) collisions at the LHC, and show that in the collisions involving nuclei, the production of gluinos might be enhanced or suppressed depending on the magnitude of the nuclear effects and on the scenarios for the SUSY breaking mechanism.

Estuda-se a influência da vida média de estados-furo internos oriundos de espalhamento nuclear quase-livre, sobre as distribuições de momentum correspondentes. A equação de Schrödinger para estados ligados sob a ação de potenciais complexos é transformada em um sistema equivalente (parte real e parte imaginário) e um método de aproximações sucessivasé utilizado para resolver o problema. O método iterativo proposto é aplicado a estados-furo 1s em núcleos de camadas 1p e 2s-1d, simulando a interação imaginária com potenciais proporcionais a densidades de probabilidade de posição das partículas nucleares menos ligadas do que o estado-furo e com potenciais que representem efeitos limites superficiais e de agregação central. Os resultados obtidos mostram que a influência da largura dos estados-furo sobre as distribuições de momentum é fortemente dependente de modelo. / The influence of the lifetime of internai hole-states resulting from nuclear quasi-fres scattering on the corresponding momentum distributions is studied. The Schredinger equation for bound states, with a complex potential, is transformed into an equivalent system (real and imaginary parts) and a method of successive approximations is used to solve the system. The proposed iterative method is applied to 1s hole-states in 1p and 2s-1d shell nuclei, simulating the imaginary interaction by potentials proportional to position probability densities of nuclear particles less bound than the hole-state and with potentials that represent mainly superficial and core effects. The obtained results show that the influence of the width of hole-states on the momentum distribution is strongly model dependent.

Este trabalho constitui-se numa monografia para ser apresentada como requisito para o título de Doutor em Ciências dentro do Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Faz parte da pesquisa teórica desenvolvida pelo Grupo de Física de Plasmas do IF-UFRGS, e tem por objetivo participar do esforço de tornar comercialmente viável a tecnologia de fusão termonuclear como fonte geradora de energia elátrica. Conhecimento científico e tecnológico que é imprescindível para um país em desenvolvimento como o Brasil. Dentro deste contexto, o trabalho desenvolvido segue a linha de pesquisa do estudo de processos de geraçãao de correntes em tokamaks por meio de interações onda-partícula. Assim, estudamos os efeitos devido a ocorrência de transporte radial de partículas em um tokamak na eficiência de geração de corrente devido a ondas de radio freqüência (RF), na presença de barreiras internas de transporte (ITB - Internal Transport Barriers). Para isso, considerou-se dois casos: no primeiro, a geração de corrente ocorre devido somente a ondas do tipo híbrida inferior (LH - Lower Hybrid), e no segundo, a geração com ação combinada das ondas LH e do tipo eletrônica de cíclotron (EC - Electron Cyclotron). Os resultados foram obtidos por solução numérica da equação de Fokker-Planck que rege a evolução da função distribuição de elétrons. Nós consideramos que o transporte radial de partículas pode ser devido a utuações magnéticas ou eletrostáticas. Considerando ambos os tipos de utuações, a eficiência da geração de corrente mostrou um crescimento com o crescimento das utuações que originam o transporte. A dependência da eficiência da geração de corrente na profundidade e posição da barreira também foi investigada. / This work constitutes a monograph to be presented as requirement to the title of PhD at the Physics Graduate Program at Federal University of Rio Grande do Sul. It is part of a theoretical research developed by the Plasma Physics Group of the IF-UFRGS, and it have the purpose to participe on the e ort to make feasible the thermonuclear fusion technology as a source of electric energy. Scienti c and technological knowledge that are indispensable to a developing country as the Brazil. In that context, the work under development follows the research line of the study of the process of current drive in tokamaks by means of wave-particle interaction. Therefore, we studied the e ects due to the occurrence of radial transport of particles in a tokamak on the e ciency of current drive due the radio frequency waves (RF), in the presence of an Internal Transport Barrier (ITB). For this, we consider two cases: at rst, the current drive occur due to Lower Hybrid waves (LH) only, and at second case, the current drive with combined action of LH and Electron Cyclotron (EC) waves. The present results are obtained by numerical solution of the Fokker-Planck equation which rules the evolution of the electron distribution function. We assume that the radial transport of particles can be due to magnetic or to eletrostatic utuations. It considering both the utuations types, the e ciency of current drive is shown to increase with the increase of the utuations which originate the transport. The dependence of the current drive e ciency on the depth and position of the barrier is also investigated.

A representação de Fock-Tani é um formalismo de teoria de campos apropriado para o tratamento simultâneo de partículas compostas e seus constituintes. O modelo 3P0 é um típico modelo de decaimento que considera somente decaimentos fortes do tipo OZI-permitidos. O modelo considera um par quark-antiquark criado com os números quânticos do vácuo na presença do méson do estado inicial. Ele é descrito pelo limite não relativístico do Hamiltoniano de criação de par. Aplicando a transformação de Fock-Tani ao Hamiltoniano microscópico de criação de par produz-se a expansão caraterística em potências da função de onda, onde o modelo 3P0 ´e a ordem mais baixa desta expansão. O modelo 3P0 corrigido (C3P0) é obtido em mais altas ordens nesta expansão, pela introdução do kernel de estado ligado ¢, chamado de correção de estado ligado. O objetivo deste trabalho é estudar em detalhe o setor de mésons charmosos (mésons D) e o setor de mésons charmosos-estranhos (mésons DSJ ) usando o modelo C3P0, onde o modelo C3P0 é expandido com a inclusão da segunda ordem da correção de estado ligado pelo método diagramático. Em particular, obtemos as amplitudes e taxas de decaimento dos seguintes canais: Setor charmoso e Setor charmoso-estranho. / The Fock-Tani representation is a field theory formalism appropriated for the simultaneous treatment of composite particles and their constituents. The 3P0 model is a typical decay model which considers only OZI-allowed strong decays. The model considers a quark-antiquark pair created with the vacuum quantum numbers in the presence of the initial state meson. It is described as the non-relativistic limit of the pair creation Hamiltonian. Applying the Fock-Tani transformation to the microscopic Hamiltonian of the pair creation produces the characteristic expansion in powers of the wave function, where the 3P0 model is the lowest order in the expansion. The corrected 3P0 model (C3P0) is obtained from higher orders in the expansion, by the introduction of the bound state kernel ¢, called the bound state correction. The goal of this work is to study in detail the charmed meson sector (D meson) and the strange charmed meson sector (DSJ meson) using the C3P0 model, where the C3P0 model is expanded by the inclusion of the second order of the bound state correction for the diagramatic method. In particular, we shall calculate the decay amplitudes and decay rates of the following channels: Charmed sector and Strange charmed sector.

O modelo C3 /30 foi desenvolvido através do Formalismo de Fock-Tani, o qual trata de problemas envolvendo partículas compostas e seus constituintes. Os operadores de criação e destruição de partículas compostas não obedecem relações de (anti)comutação canônicas devido à presença da estrutura interna. Após realizar a transformação unitária de Fock-Tani U sobre estes operadores, novos operadores ideais são obtidos de forma iterativa. Os operadores ideais contêm uma expansão em potências da função de onda e obedecem as relações de (anti)comutação canônicas. Com eles tornase possível construir quantidades efetivas em termos das quantidades fundamentais. Uma destas quantidades efetivas importantes que podem ser construídas é o Hamiltoniano He f etivo = U'HU que passa a conter a informação sobre a estrutura interna. Hef etivo possui, entre outras estruturas, diagramas correspondendo a espalhamentos hadrônicos com troca de constituintes, decaimentos hadrônicos, etc. A partir do Hamiltoniano de decaimento mesônico modificado pela transformação de Fock-Tani é que obtem-se o Hamiltoniano do modelo C3Po, Hc3Po. Com ele é possível encontrar amplitudes de decaimento e posteriormente taxas de decaimento. Nesta tese de doutorado, consideramos quarkônios estranhos com misturas do tipo el [ume + dcl] + c2 ss. Calculamos as taxas de decaimento para os mésons 0(1020), 0(1680), 0 3 ( 1 8 5 O ) e para os ainda não observados experimentalmente 0(2050), 01 (1850) e 02 (1850), no contexto do modelo C3P0, e determinamos os coeficientes cl e c2. Um outro estudo que realizamos foi com os mésons J/0, onde consideramos que eles são formados pela mistura e,' [u-ü + + c2 ss + c3 cc. Considerar J/ dado por misturas é proveniente de estudos que tentam solucionar o "enigma p7r". Novamente, com o auxílio do modelo C3P0, encontrarmos as taxas de decaimento. / The C3P0 model was developed using the Fock-Tani formalism, which deals with problems involving composite particles and their constituents. The creation and annihilation operators of composite particles do not obey canonical (anti) commutation relations, due to the presence of the internal structure. After performing the Fock-Tani unitary transformation U of these operators, new ideais operators are obtained iteratively. These perators contam an expansion in powers of the wave function and obey the canonical (anti) commutation relations. It is possible to construct effective quantaties in accordance with the fundamental ones. One of these important effective quantities that can be built is the Hamiltonian He f fective = U-1 HU that will contam the information about the internal structure. Heffective has, among other structures, diagrams corresponding to exchange scattering with hadronic constituents, hadronic decays, etc.. From the meson decay Hamiltonian, modified by the Fock-Tani transformation, we obtain the Hamiltonian the C3/30 model, HC3PO. With HC3PO one can find decay amplitudes and subsequently decay rates. In this thesis, we consider strange quarkonia mixtures of type c1 [uü + + c2 ss. We calculate the decay rates for the mesons 0(1020), 0(1680), 03(1850) and 0(2050), 01(1850) and 02 (1850), the not yet observed experimentally, in the context of C3P0 model, and determine the coefficients c1 and c2 . Another study was conducted with J/b mesons, where we consider that they are formed by mixing cl [u-ü + + c2 ss + c3 cc. To consider J/0 given by mixtures comes from studies that attempt to solve the "p7r puzzle". Again, with the aid of C3P0 model, we find the decay rates.

Investigamos os efeitos desempenhados pelas flutuações no número de glúons sobre a evolução dos hádrons em altas energias, sob o referencial de dipolos de cor. Entendemos por flutuações o seu significado estatístico, ou seja, desvios em torno da média. A evolução na presença destes efeitos se torna estocástica, fazendo com que diferentes realizações de uma dada evolução resultem em diferentes realizações do alvo a ser estudado. Desta forma, são originadas diferentes amplitudes - as chamadas amplitudes evento-por-evento - para um mesmo valor da variável de evolução. As distribuições destas amplitudes apresentam uma relação de dispersão, relacionada ao coeficiente de difusão que define a existência das flutuações. O regime de altas energias significa que o número de partículas no interior dos hádrons é suficientemente grande e, portanto, efeitos de saturação tornam-se necessários na descrição dos processos. A união dos efeitos de saturação e flutuações é que torna a evolução estocástica - originando as chamadas equações de evolução de laços de pomerons. As flutuações influem fortemente no comportamento diluído da evolução, e poderíamos esperar que na região de altas densidades partônicas (região de saturação), tais efeitos não sejam importantes. Entretanto, mesmo nesta região, as amplitudes de espalhamento devem apresentar uma cauda diluta, onde as flutuações desempenhariam importante papel. Assim, ao menos teoricamente, a evolução em altas energias deve considerar efeitos de flutuações no número de partículas. O processo de interesse neste trabalho é o espalhamento y*p,que é descrito no referencial de dipolos de cor pelo espalhamento dipolo-próton. Para descrever tal processo, utilizamos o modelo AGBS para a seção de choque de dipolos, o qual interpola analiticamente as soluções assintóticas da equação de evolução de Balitsky e Kovchegov (BK) no espaço de momentum. Estendemos tal modelo incluindo os efeitos de flutuações e então o usamos para descrever a função de estrutura do próton, a qual foi ajustada globalmente aos dados do colisor Hadron Electron Ring Accelerator (HERA) para esta quantidade. Como resultado, obtemos que, através do modelo AGBS, os efeitos de flutuações não estão presentes na evolução, pelo menos nas energias atingidas em HERA. Assim, pode-se concluir que uma descrição de campo médio, baseada somente nas soluções da equação BK, é suficiente para a descrição dos dados nestas energias. Entretanto, para energias maiores, como as que serão alcançadas no Large Hadron Collider (LHC), os efeitos de flutuações podem ser importantes na descrição dos processos. / We investigate the effects of the fiuctuations in the gluon number in the high energy hadron evolution, using the color dipole frame. We understand by fiuctuations its statistical meaning, i.e., deviations around the mean value. In the presence of these effects, the evolution becomes stochastic, so that different realizations of the evolution result in different realizations of the target under investigation. In this way, for a given value of the evolution variable, different amplitudes are created - the so called event-by-event amplitudes. The distributions of these amplitudes present a dispersion, related to the dispersion coefficient which defines the existence of the fiuctuations. The high energy regime means that the number of particles inside the hadron is sufficiently large, so that the saturation effects become necessary. in the description of the processes. Together, saturation and fiuctuation effects make the evolution a stochastic process- giving rise to the so called pomeron loop evolution equations. The fiuctuations have a strong infiuence on the behavior in the dilute regime of the evolution and we could expect that in the high density region (saturation region), these effects are not important. However, even in such region, the scattering amplitudes have a dilute tail, where the fiuctuations play an important role. Therefore, at least theoretically, the high energy evolution equations have to consider the fiuctuations effects. In this work, the process of interest is the y*p scattering, which is described in the color dipole frame by the dipole-proton scattering. To describe this process, we use the AGBS model for the dipole cross section, which analytically interpolates between the asymptotic solutions of the Balitsky-Kovchegov (BK) evolution equation in momentum space. We extend this model by including the fiuctuations effects and we use them to describe the F2 proton structure function, which was globally fitted to the Hadron Electron Ring Accelerator (HERA) data for this quantity. As a result, we obtain that, through the AGBS model, the fiuctuation effects are not present in the evolution in the energies reached at HERA. Then it can be concluded that a mean field description, based on the solutions of the BK equation only, is sufficient to describe the data at these energies. However, for large energies, like those will be attained at the Large Hadron Collider (LHC), the fiuctuations effects can be important in the description of the processes.

Partindo da premissa de que o currículo de Física no Ensino Médio necessita ser atualizado através da inserção de tópicos de Física Moderna e Contemporânea e que, para isso, é necessário preparar os professores, foi conduzida uma pesquisa na disciplina Estrutura da Matéria do currículo de um curso de formação de professores em um curso universitário no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. A investigação, baseada na teoria dos campos conceituais de Gérard Vergnaud e na teoria da aprendizagem significativa de David Ausubel, envolveu três estudos em três semestres consecutivos. O primeiro deles, realizado segundo uma metodologia tradicional, baseada em classes expositivas, serviu como sistema de referência. Os outros dois envolveram uma metodologia diferenciada centrada na participação do aluno, enfatizando situações-problema (elaboração de textos, micro-aulas, mapas conceituais, por exemplo). Além desses três estudos foi também feita uma análise da disciplina Estrutura da Matéria em outras instituições de ensino superior do mesmo estado. Os resultados sugerem alta receptividade dos alunos em relação à metodologia diferenciada e fornecem evidências de aprendizagem significativa de tópicos dos conteúdos abordados (Radiação, Física Nuclear, Física de Partículas). Sugerem também que os futuros professores se sentiram motivados para abordar tópicos de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio, o que não aconteceu com aqueles que tiveram ensino tradicional no primeiro estudo. / Assuming that the high school physics curriculum must be updated through the insertion of topics of Modern and Contemporary Physics and that teachers must be prepared for that, a research was carried out in the subject Structure of Matter of the curriculum of a physics teacher formation course offered by a community college in the state of Rio Grande do Sul, Brazil. The research based on the Gérard Vergnaud’s conceptual Field theory and on David Ausubel’s learning theory involved three studies in three consecutive terms. The first on conducted under a traditional lecture based methodology served as frame of reference. The other two involved a differentiated student centred methodology, emphasizing problemsituations (writing didactical texts, microteaching, and concept mapping, for instance). In addition, to these three studies an analysis of the subject Structure of Matter in the curriculum of the same kind of teacher preparation course in other institutions of higher education in the same state was also carried out. Research findings suggest a high level of receptivity from the students regarding the new methodology and provide evidences of meaningful learning of some topics of the contents (Radiation, Nuclear Physics, and Elementary Particles) studied in the Structure of Matter subject. They also suggest that the prospective teachers felt motivated to introduce Modern and Contemporary Physics topics in their high school classes, what did not happen with those taught with the traditional methodology in the first study.

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