Ciencias con mención en Física

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A study of Ultra-High-Energy Cosmic Ray propagation in one-dimensional simulations
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-15) Olivares Schneider, José Gabriel; Bazo Alba, José Luis
Cosmic Rays have come to play an important role in understanding the universe, and astroparticle physics has undergone major developments in the last few decades. As such, several observatories have been set up with the purpose of detecting these particles, and simulation frameworks have been developed in order to further analyze their behavior by creating highly variable environments and parameters. This work covers the essential theory required to study propagation of Ultra- High-Energy Cosmic Rays restricted to linear one-dimensional propagation only; this includes the primary methods of energy loss during propagation, mainly through reactions with the photon background like photo-pion production and photo-disintegration, and additional cosmological effects. The study was done using the CRPropa 3.0 simulation framework. To determine the best possible maximum energy for the simulations, initial trials were done by testing the GZK cutoff for multiple energy values, followed by an analysis of heavier nuclei propagation. As a final complete test run, a model of the cosmic ray spectrum for energies above 1018 eV was made based on two data sets, one made from the average composition of the whole CR energy spectrum, and the other from The Pierre-Auger Observatory measurements for the high energy range. The results showed that initial source composition was the determining factor in the shape of the CR spectrum. These initial simulations done in this work will set the ground for future more complex simulations and studies.
Análisis de estabilidad de frentes químicos en reacciones exotérmicas
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-16) Quenta Raygada, Johann Sebastián; Vásquez Rodríguez, Desiderio Augusto
Buoyancy-driven convection is a phenomenon that appears in a wide range of natural processes, from atmospheric and oceanic flows to the Earth’s core inner dynamics. In particular, convective flows are ubiquitous in systems of chemical substances reacting at an interface known as a reaction front. Autocatalytic reaction fronts allow for different types of instabilities due to gradients in chemical composition and the exothermicity of the reaction. In order to study the effects of thermal gradients in such systems, we develop a model for thin-front propagation in two-dimensional tubes. Temperature and front evolution are coupled to two different descriptions of the system’s hydrodynamics: Darcy’s law and the Navier-Stokes equations for viscous flows. We study the stability of the convectionless flat front by carrying out a linear stability analysis. The regimes for which convection arises will depend on a control parameter, called the thermal Rayleigh number, which measures the strength of thermal gradients in the system. We vary this parameter between positive and negative values and analyze its effects on the stability of the fronts.
Desarrollo de un detector juguete basado en el experimento CMS para la búsqueda de partículas neutras con largo tiempo de vida
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-11) Coll Saravia, Lucía Ximena; Jones Pérez, Joel
The Standard Model (SM) of particle physics consists in a description of all the known elemen-tary particles and their interactions. As far as it is known, the SM has passed all experimental tests, but presents some imperfections such as the presence of neutrino masses and the hierarchy problem. This encourages to probe theories beyond the Standard Model (BSM) that could bring solutions to these problems. An interesting proposal is to search for neutral long lived particles (LLP). These type of particles have long decay lengths and can be generated by a variety of BSM models such as Supersymmetry (SUSY), which proposes a solution to the hierarchy problem, and the Seesaw Mechanism that generates massive neutrinos. The detection of the decay products of LLPs would contribute to the discovery of new physics. The objective of this work is to develop a toy detector based on C++ and Pythia8 with the purpose of creating a tool for searches of neutral long lived particles. All the features, including the geometric characteristics and the particle accep- tance are constructed with information from the sub detectors of the CMS experiment. We use a Minimal SUSY process that violates R parity (RPVMSSM) to simulate processes producing LLPs in MadGraph5 and study the response of the toy detector. We conclude our simulation properly recreates important experimental conditions, and is suitable as a first step towards an international competitive particle physics tool.
Diseño y manufactura óptica del objetivo de un telescopio astronómico refractor
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-04) Montoya Janampa, Alejandro Manuel; Gonzales Niño, Franco Alejandro
El tema de este trabajo de investigación es el diseño y la manufactura óptica del objetivo de un telescopio astronómico refractor orientado a la observación lunar. El objetivo corresponde a un doblete acromático cementado de longitud focal efectiva 450 mm y diámetro de apertura 50 mm. La finalidad de este trabajo es que pueda servir como una guía básica para el diseño de sistemas ópticos y la manufactura de lentes, las cuales son muy útiles en la enseñanza de la Óptica Clásica. Dentro del grupo de investigación de Óptica Aplicada de la PUCP, se ha logrado desarrollar instrumentos tecnológicos avanzados como un par de binoculares, un telescopio reflector Newtoniano y un telescopio terrestre, por lo que hay bastante conocimiento que uno puede adquirir y transmitir a cualquiera interesado en la Ingeniería Óptica. El procedimiento para el desarrollo del objetivo consiste primero en el diseño óptico. Como punto de partida para el cálculo numérico de los parámetros, se toman en cuenta las ecuaciones de aberraciones y luego, se utiliza el software OSLO®, el cual es una herramienta digital de gran utilidad para realizar la simulación y la optimización del objetivo. Después se da paso a la manufactura óptica que es posible de realizar dentro del Laboratorio de Diseño y Manufactura Óptica, y el Taller de Tecnología Óptica de la PUCP. Los resultados logrados son primero el diseño de un doblete acromático cementado que se encuentra limitado con respecto a la difracción. Esto se comprueba en el diagrama de manchas, por lo que se cumple el criterio de difracción. Además, está la manufactura casi completa del objetivo refractor (corte de vidrio, generado de curvatura, esmerilado y la parte inicial de pulido). En conclusión, dentro del grupo de Óptica Aplicada de la PUCP, es posible aprender a desarrollar cada parte de un telescopio astronómico refractor como es el objetivo.
Efectos de dispersión lineal y advección por flujo externo en frentes en propagación
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-02) Martínez Rodríguez, Andrés Alfredo; Vilela Proaño, Pablo Martin
Kuramoto-Sivashinsky equation in a two dimensional slab with infinite walls and advection by external flow is considered. Stationary front solutions were then found using the shooting method with simple Euler method and oscillatory front solutions were solved with simple Euler method. Numerical results for both were analyzed, finding the solutions for stationary fronts including external flow, Couette and Poiseuille. A modified Kuramoto-Sivashinsky equation, similar to the equation used to described solitary waves was also considered and the effect it had on stationary fronts with and without external flow was also explored. For oscillatory solutions, the front profiles and the phase space diagrams were calculated, a bifurcation diagram was also analyzed for no external flow as well as for fronts advected by Poiseuille and Couette external flow, and good agreement with Feigenbaum’s number was found in all cases.
Estudio de un magnetrón utilizando el método de elementos finitos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-01) Pérez Caro, Erik Alfredo; Torreblanca Quiroz, Humberto
Magnetron sputtering system is a technique that consists in extracting atoms from a target material by collisions of energetic ions of an inert gas. It is widely used in semiconductor industries and materials processing research for developing thin films by deposition. During this process a low temperature capacitively coupled plasma is generated near the cathode and several variations of the properties of this plasma can affect the thin film deposition process and quality. An approach to study these types of systems is by computational modeling. The use of robust computational codes that can handle complicated geometries and can solve complex systems of differential equations. In this present project we aim to model numerically a system of magnetrons developed at the Materials Science and Renewable Energies (MatER) laboratory. Using the geometry measurements and the material properties of each component taken in the laboratory, a CAD geometry was developed. Furthermore, the electric and magnetic fields are solved for the geometry configuration and, by implementing a Monte Carlo simulation, the electron trajectories and velocity distributions in the system are calculated. Finally, we use a multi-fluid model to solve a simplified system of a 1 dimensional capacitively coupled plasma and recover the system properties. The method to solve the respective system of equations is the finite element method implemented in the software COMSOL Multiphysics.
Estudio y aplicación de métodos analíticos para la extracción de parámetros eléctricos del modelo de un solo diodo para distintas tecnologías de módulos fotovoltaicos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-03-31) Perich Ibáñez, Renzo Alberto; Palomino Töfflinger, Jan Amaru
The single-diode model is used to characterize a photovoltaic (PV) solar cell using an equivalent circuit and an equation that depends on five electric parameters. Three analytical methods are applied to extract the five parameters from an Aluminium Back Surface Field (Al-BSF) PV module using 500 experimental current-voltage (I-V) curves measured in the 100-1000W/m2 range. Two of these methods are also applied to four thin-film PV modules, using four experimental I-V curves measured at an irradiance of 1000 W/m2 and air temperature 25℃. While parameter extraction methods have been studied before, this work offers a new perspective by applying the techniques to outdoor PV modules in Lima-Peru and, on the other hand, thin-film technologies located in Jaen-Spain. Results are presented by comparing the measured I-V curve with the ones modelled using the extracted parameters. The Normalized Root Mean Square Error (NRMSE) is calculated to evaluate and compare each extraction method. Values of NRMSE are then grouped by irradiance using a series of boxplots or bar charts to better visualize the success of each extraction method. The results indicate that the method proposed by Phang et al. is very robust, obtaining low values for error across the different irradiances and technologies (median NRMSE of 0.20 % for silicon and 0.50-1.10 % for thin-films). The Blas et al. method obtained low error with the silicon module (median NRMSE of 0.21 %), it was not applied to thin-films in this study. Finally, the Khan et al. method showed greater error than the other two when applied to the Al-BSF and thin-film modules, with noticeably higher error when applied to amorphous silicon modules (median NRMSE of 0.30 % for silicon and 1.77-6.73 % for thin-films).
Exposición de detectores LR115 y CR39 a diferentes distancias respecto de una pared
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-04) Montoya Janampa, Julio Manuel; Palacios Fernández, Daniel Francisco
El radón es un gas radiactivo natural que emana de las rocas del suelo y se transporta por difusión y convección hacia la atmósfera. Tiende a concentrase en espacios cerrados como en casas, edificios o lugares construidos con baja ventilación. Aunque en una vivienda la principal fuente de radón es el suelo, también los materiales de construcción; por ejemplo, el ladrillo y el concreto, contribuyen a la exhalación de radón. La exposición al radón es el mayor contribuyente en la dosis de radiación ionizante recibida por la población en general. Según el UNSCEAR, el 52% de la dosis de radiación natural recibida por el hombre se debe al radón, asimismo la mayor parte de la exposición ocurre en interiores de las viviendas. Por ello, medir los niveles de radón ayuda a entender el potencial de generación de las distintas fuentes de radón en las viviendas. Además, según la OMS, enfermedades como cáncer pulmonar pueden ser causadas por la inhalación de radón. El radón se desintegra emitiendo partículas alfas que pueden ser registradas como trazas nucleares en detectores de estado sólido; por ejemplo, detectores LR115 y CR39. El número de trazas registradas por unidad de área es directamente proporcional a la concentración de radón del ambiente. Mediante un sistema sencillo de detectores LR115 y CR39 se midió la concentración de radón a diferentes distancias respecto de dos paredes opuestas dentro de cada una de dos habitaciones en una vivienda ubicada en la zona norte de Lima. Las habitaciones se diferenciaron por la tasa de ventilación, durante el periodo de medición una permaneció cerrada y la otra mantuvo una ventana abierta. En este trabajo, se pretende demostrar como la concentración de radón disminuye a medida que aumenta la distancia respecto de las paredes y que un ambiente con baja tasa de ventilación presenta mayor concentración de radón comparado con otro de alta tasa de ventilación. Cada sistema de medición consiste en un arreglo de 3 cortinas de detectores colocados en modo descubiertos a diferentes distancias respecto de las paredes, los cuales fueron colocados dentro de cada habitación. Las mediciones se realizaron durante los meses de junio y julio del 2019, por un tiempo de 58 días. Posteriormente los detectores pasan por un proceso de grabado a condiciones estándares en el Laboratorio de Huellas Nucleares de la Sección de Física de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP). El proceso de lectura de las trazas reveladas en los CR39 se realizó con el microscopio óptico LEICA y para los LR115 se empleó el sistema automatizado POLITRACK. El proceso también incluye un análisis por métodos estadísticos para la detección de campos de lecturas con cantidades anómalas de trazas. Cabe señalar que el procesamiento de los CR39 no se completó debido a que no se tuvo acceso al laboratorio por la coyuntura del COVID 19. Finalmente, de acuerdo con los resultados obtenidos con LR115 en modo descubierto, la concentración de radón presenta un comportamiento oscilante que tiende a disminuir a medida que aumenta la distancia de separación de la pared.
Generación de patrones químicos mediante flujos cortantes
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-10-26) Ledesma Araujo, Angelo Isaac; Vásquez Rodríguez, Desiderio Augusto
Los sistemas de reacción-difusión permiten la formación de estructuras debido a las distintas difusividades de substancias químicas. Uno de estos sistemas es el de activador-inhibidor presentado en el modelo del Brusselador. En el caso en que este sistema se encuentre en un fluido, requerirá de términos de advección que representan el fenómeno de transporte ocasionado por la velocidad del fluido. Cuando el flujo presenta un esfuerzo de corte, las difusividades efectivas de cada substancia son modificadas, permitiendo invertir las condiciones de estabilidad que permiten la formación de patrones (Vásquez, 2004). En este trabajo se analiza la formación de patrones debido a la advección de un flujo cortante. A través de un flujo de Poiseuille, donde la velocidad tiene dependencia espacial transversal (forma parabólica), se pude violar la condición de formación de patrones de Turing (Vásquez, 2004). Para poder expandir esta investigación y analizar el efecto de un flujo generado por un vórtice, primero se analizará el movimiento caótico generado por vórtices y se caracterizarán diferentes patrones generados por distintos flujos cortantes
Leptonic Modeling of the Multiwavelength Spectra of Astrophysical Sources
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-10) Palomino Ylla, Ariadna Uxue; Bazo Alba, José Luis
This work is motivated by the physical processes which take place in active galactic nuclei (AGN). They are powerful sources of radiation in a wide wavelength. To gain knowledge about these processes, multiwavelength spectral energy distributions (SED) are used. The current work uses three types of distributions applied to two blazars, a variety of AGN objects. The SED of blazars typically has a double-hump structure which can be explained in terms of two models: the hadronic and the leptonic model. A model built only by leptonic processes (in this case, inverse Compton and synchrotron) has proved to be fairly-good to explain the gamma-ray emission from most blazars. The Python package Naima restricts model parameters to find the best fit for the observed data and characterize the source by proposing processes that could take place there. The SEDs of the Mrk 421 and PKS 0537-441 blazars were modelled. The best fits obtained follows an electron differential distribution of the form of an exponential cutoff power law. They have a reduced c2 of 1.92 and 2.58, respectively. For the fitted model for the blazar PKS 0537-441, the radiation of the flux of photons product of the synchrotron process produces the major contribution on the inverse Compton flux.
Observación y estudio de (2104) Toronto. Asteroide del cinturón principal
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-01) Mujica Cueva, José Umberto; Pajuelo Cubillas, Myriam Virginia
El Sistema Solar, dentro de las muchas partes que lo componen, alberga en su mayoría asteroides de pequeño tamaño y poco estudio a profundidad, que dentro de su composición u órbitas, pueden revelar pistas sobre cómo es que nuestro entorno planetario se formó, o incluso la existencia de la vida en la Tierra. Basado en ello, el presente trabajo centra su mira en analizar alguno de los cuerpos independientes del cinturón de asteroides, con el fin de observarlo desde un centro astronómico, para luego recolectar imágenes y procesarlas. Debido a la coyuntura sanitaria actual, la toma de datos tuvo que realizarse por parte del equipo del Instituto Astronómico de la Academia Rumana, en su observatorio Berthelot. Es así, que haciendo uso de fotometría diferencial y el programa de uso libre AstroImageJ, se buscará obtener curvas de luz del objeto y entender sus características más importantes, relacionadas a la magnitud, periodo, etc. El trabajo a continuación intenta a su vez contribuir con el incipiente estudio de objetos planetarios en el Perú, trazando como objetivo el poder a futuro realizar las observaciones por cuenta propia y en territorio nacional. Finalmente, tras realizar las gráficas deseadas, se concluye que las imágenes proporcionadas del asteroide (2104) Toronto corresponden a sus características conocidas y el trabajo fue llevado a cabo de manera óptima, demostrando las posibilidades de realizar estudios de este tipo en el país.
Revisión teórica de la técnica de radares de dispersión incoherente y su conexión con las ecuaciones diferenciales estocásticas
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-19) La Rosa La Rosa, Brian Humberto; Milla Bravo, Marco Antonio
The Incoherent Scatter Radar (ISR) technique provides an important tool for ionospheric plasma parameter estimation through the calculation of the electron density spectrum. This quantity is constrained to the ionospheric approximations considered. If these are very realistic, finding an analytical expression for the terms involve in the electron density spectrum could be impossible. In that sense, using the mathematical tool known as stochastic differential equation (SDE) is required. Because of the nature of the equation described the ionospheric particle dynamics, called Langevin equation, stochastic numerical methods have to be studied. In this work, we will present a review of ISR theory and the connection to SDE. Moreover, we list three different methods, which are used to analyze the collisional and magnetized approximation of the ionosphere.
Revisión teórica de oscilaciones de neutrinos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-03-19) Pérez García, Alicia; Gago Medina, Alberto Martín
Neutrinos play an important role in understanding nature’s behavior, from the suggestion of their existence, to the experimental issues found in the way of trying to present evidence for it. The oscillation induced by mass is supported by overwhelming experimental evidence. This work proposes a theoretical revision of the quantum mechanical descrip-tion of neutrino oscillations, discussing the inconsistencies of the usual ap-proaches and giving a more precise one. Moreover, the mechanism for oscilla-tions in matter is studied with the purpose of finding the differential equation to solve for the evolution of the neutrino states. For finding the evolved states, a code for solving the Schr¨odinger equation nu-merically was developed. The results were compared with the data from an already existing simulation software for neutrino experiments, allowing the validation of our solutions. Some steps following this work, such as the in-troduction of Non-Standard physics and predictions at future experiments, are described.
The role of intraspecific competition between plants in a nursery pollination system
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-09-22) Matus de la Parra Gutiérrez, Nicolás; Stucchi Portocarrero, Luciano
We present comments on an article published by Villacañas de Castro and Hoffmeister (2020). The authors studied a tritrophic system composed of a plant, its pollinating seed predator, and a parasitoid of the latter. Their concern was whether the parasitoid modifies the interaction between the plant and its pollinator-herbivore along the mutualism-antagonism gradient, but they reduced their question to how the parasitoid impacts plant fitness. After showing that the parasitoid increases seed output of the plant by decreasing the amount of seeds consumed by the pollinating seed predator, they tested whether seed output is a good proxy for plant fitness. They argue that it is not by showing that the increased seed density has a negative impact in survival probability and flower production, likely due to plant intraspecific competition. The work presented shows careful experimentation and interesting results, but we do not share some of their conclusions. Most importantly, we believe that the net effect of the parasitoid on the plant-herbivore interaction can’t be adequately investigated by focusing on individual plant fitness. Thus, we first suggest considering the number of surviving plants up to adulthood as a proxy for population performance to address this question. Using this proxy, we show that the increase in seed output due to the parasitoid is beneficial to the plant population until its carrying capacity is achieved. Next, using a population dynamics model, we show under which particular conditions the negative effect of intraspecific competition outweighs the positive effect of seed density increase (due to parasitoid’s defense). When these conditions don’t hold, the role of plant intraspecific competition is basically limited to the prevention of unbounded population growth, while the parasitoid’s net effect is an increase in the plant’s equilibrium density over its carrying capacity when interacting only with the pollinating seed predator, thus making the system more stable.