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Este proyecto se enfocara tanto en aspectos teóricos como experimentales de la física/astrofísica de partículas (altas energías) incluyendo además aplicaciones. En la parte teórica de física de partículas, nos concentraremos en la búsqueda de señales de física más allá del Modelo Estándar que podrían develarnos indicaciones de física en la escala de Planck, o sobre cuáles son los modelos de generación de masa de neutrinos. En la parte experimental, desarrollaremos dos análisis: uno sobre medición de secciones de choque de procesos difractivos (ALICE-LHC) y el otro sobre el estudio de efectos nucleares a partir de la medición de la sección de choque inclusiva de corriente cargada de neutrino muónico (MINERvA-Fermilab). En la parte de astrofísica de partículas, nos dedicaremos a responder cuál es la composición de los rayos cósmicos así como a buscar los mejores ajustes de los modelos de campo magnético galáctico combinado con la estimación de posibles correlaciones entre neutrinos astrofísicos y rayos cósmicos. Por último, en la aplicación evaluaremos la capacidad de que una cámara web pueda actuar como dosímetro.
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Nuestro entendimiento sobre el Universo es aún incompleto, en este contexto los neutrinos son nuestra mejor conexión con la nueva física que explicaría lo que no conocemos aún. Esta propuesta se enfocará en estudiar señales de esta nueva física utilizando los datos de experimentos actuales en prospectiva con experimentos futuros, tales como DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment - Fermilab) entre otros. Para tener una mayor potencia en nuestras búsquedas de nueva física requerimos computación de alto rendimiento (HPC) como herramienta fundamental. Es pues también materia de esta propuesta la implementación de nuestros cálculos en entornos de nuevas tecnologías de HPC, tales como son las unidades de procesamiento gráfico. Este desarrollo, al margen de tener impacto en la generación de conocimiento de frontera, podría tener aplicaciones que vayan más allá de la ciencia fundamental.
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En los últimos años, la comunidad de partículas elementales ha identificado un nuevo escenario por explorar en colisionadores: aquél de partículas con largo tiempo de vida. A diferencia de la mayoría de partículas inestables conocidas, tales como el bosón de Higgs, estas tienen un tiempo de vida suficientemente largo como para propagarse una distancia macroscópica antes de desintegrarse. Este tipo de partículas deja señales no-estándares en colisionadores, dependiendo de la parte del detector donde se desintegran. Esto significa que es necesario re-pensar las estrategias comúnmente utilizadas para detectarlas. En otras palabras, de existir, estas partículas podrían no ser detectadas, ya que nuestros detectores no están optimizados para ello. En este proyecto planteamos realizar una simulación rápida del detector CMS, del laboratorio CERN, con el objetivo de incorporar la fenomenología de partículas neutras con largo tiempo de vida. Esta simulación estará basada en el desarrollo de un código de C++ que reproduzca razonablemente la eficiencia y resolución de cada parte del detector, y su respuesta frente a la desintegración de estas partículas. Junto con esta simulación, buscaremos analizar distintos modelos que involucren partículas con largo tiempo de vida. Ejemplos importantes serán el Modelo Seesaw y la Supersimetría. Para aquellos casos donde las nuevas partículas se desintegren en fotones, el software actualmente disponible es suficiente, permitiendo que ambas facetas del proyecto se desarrollen en paralelo. Nuestro objetivo final será el de comparar distintas estrategias de detección, con el propósito de que alguna de estas sea eventualmente implementada por CMS.
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En el área experimental, nuestro trabajo se centrará en los experimentos ALICE (LHC) y MINERvA (Fermilab). En teoría, se trabajarán temas dentro del marco de la física/astrofísica de neutrinos tanto en el contexto del modelo estándar como más allá del mismo. Además de lo anterior, desarrollaremos detectores portátiles de partículas con miras a la búsqueda de aplicaciones.
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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ha confirmado que el Modelo Estándar (SM) describe correctamente la física presente a energías cercanas al TeV. No obstante, se espera que el SM sea una manifestación de un modelo en el que las tres interacciones se unifican en una. Las características generales de este modelo están bien entendidas, y una de ellas es que el valor de las constantes de acoplamiento coincida a cierta escala energética. En el SM, esta unificación no ocurre. Una propuesta para resolver este problema es la Supersimetría (SUSY), donde la introducción de nuevas partículas con spin distinto modifican la evolución de las constantes de acoplamiento, de modo que sí unifiquen. En este caso, los fermiones del SM tienen compañeros escalares (sfermiones), y los bosones tienen compañeros fermiónicos (charginos, neutralinos). El SM presenta dos complicaciones adicionales: no explica la masa de los neutrinos, y no cuenta con un candidato de materia oscura. Es entonces interesante intentar resolver los tres problemas en modelos alternativos. El objetivo principal del proyecto es estudiar modelos supersimétricos que puedan explicar el origen de la masa de los neutrinos y dar un candidato a materia oscura. En particular, se favorecerán modelos con señales que puedan estar en la escala electrodébil, es decir, señales que puedan ser observadas por los experimentos ATLAS y CMS del CERN. El proyecto tiene varios estudios específicos: fenomenología, materia oscura, violación de número leptónico, y modelos alternativos.
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Este proyecto representa la continuación de varios otros, dedicados a la investigación en altas energías tanto experimental como teórica. En el área experimental, nuestro trabajo se centrará en los experimentos ALICE (LHC) y MINERvA (Fermilab). En teoría, se trabajarán temas en el marco de la física/astrofísica de neutrinos y supersimetría. En ALICE nos centraremos en el desarrollo del Muon-Forward-Tracker(MFT). Este detector mejorará las medidas en producción de quarks pesados (charm y beauty), quarkonia y espectro de di-muones de baja masa en la dirección longitudinal. Con ello, entenderemos mejor las propiedades del quark-gluon-plasma. En particular, trabajaremos en caracterizar los pAlpide, chips semiconductores que son los elementos activos de detección del MFT. Esta caracterización está orientada a medir la resolución espacial del chip y su tolerancia al daño por radiación. En MINERvA estudiaremos las señales de di-leptones, tanto en el contexto de la producción/desintegración de Leptones Neutros Pesados (LNP) como en el de eventos de neutrinos tipo tridente. Usando en ambos casos los datos obtenidos con la configuración del haz de neutrinos de mediana energía. La observación de señales de LNP (neutrinos pesados) constituría una evidencia clara de física más allá del modelo estándar, así como la producción tridente de neutrinos. La observación de este proceso, presente en el modelo estándar, es muy importante debido a su baja ocurrencia. En teoría, contextualizaremos un modelo SeeSaw tipo I dentro de un modelo supersimétrico y predeciremos sus implicancias en el LHC-CERN. Otro estudio será la desintegración de neutrinos en los experimentos de oscilaciones. En astropartículas, investigaremos la correlación espacio/temporal entre los datos de neutrinos astrofísicos enérgeticos, rayos cósmicos, fotones y ondas gravitacionales. Haremos también una predicción de las zonas en el mapa celeste en las que podrían encontrarse un exceso de rayos cósmicos.
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Este proyecto es la continuación de varios otros, dedicados a la investigación en altas energías tanto experimentales como teórica. En el área experimental, el trabajo se centrará en los experimentos ALICE (LHC) y MINERvA (Fermilab). En teoría, se trabajarán temas dentro del marco de la física/astrofísica de neutrinos y supersimetría. En ALICE tenemos dos tópicos de análisis. Uno es la medida de las secciones de choque de procesos singular, y doblemente, difractivos y el otro es la producción exclusiva de resonancias en colisiones ultra periféricas. Ambos análisis se harán en el contexto del Run 2 del LHC, con mayor energía y luminosidad, además de estar usando por primera vez los detectores ADA/ADC, los cuales deben amplificar la sensibilidad de ALICE a estos procesos. De hecho, la PUCP está, y ha estado, fuertemente involucrada en el desarrollo de estos detectores. En MINERvA trabajaremos en el estudio de los efectos nucleares, así como en el análisis de los eventos de dispersión inelástica profunda, usando en ambos los datos obtenidos con la configuración del haz de neutrinos de mediana energía. La magnitud de los efectos nucleares es de suma importancia para las medidas de los experimentos de oscilaciones de neutrinos. Asimismo, a través de la DIS, usando neutrinos y la variedad de blancos nucleares que posee MINERvA, nos permitirá entender mejor el comportamiento de la funciones de distribución de partones ante variaciones del ambiente nuclear. En teoría, estudiaremos posibles señales de producción de neutrinos pesados en el LHC, y las consecuencias de su existencia en otros procesos. Estudiaremos también las señales supersimétricas, y de violación de CP, que podrían dejar el desintegración de nuevos bosones escalares en los experimentos del LHC. Por último, investigaremos la correlación que pueda existir entre los datos de rayos cósmicos, considerando su deflección magnética, y los neutrinos astrofísicos enérgeticos recientemente observados por IceCube.
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Ni el Modelo Estándar de Física de Partículas (SM) ni el Modelo Mínimo supersimétrico (MSSM) incluyen un mecanismo para generar masas de neutrinos. Es importante entonces considerar qué modificaciones fenomenológicas podrían aparecer al incluirlo. Por ejemplo, es sabido que la introducción de nuevos neutrinos pesados en el MSSM, llamado SUSY-Seesaw, implica necesariamente nuevos procesos de baja energía, asociados a la violación de sabor leptónico. En este trabajo, buscaremos desarrollar las implicancias de un SUSY-Seesaw en la escala electrodébil. De tener neutrinos pesados con masas alrededor de esta escala, se esperaría que la fenomenología de SUSY, a alta energía, sea afectada. En particular, se estudiará la modificación de procesos de desintegración de charginos, donde los neutrinos pesados podrían aparecer. Para ello, se pretende implementar el SUSY- Seesaw utilizando el programa SARAH, desarrollado en la Universidad de Würzburg. Con esto, se estudiará la fenomenología del modelo con los programas MadGraph y Pythia, y llevar a cabo una estimación realista de los eventos observables. El proyecto involucrará a estudiantes de postgrado de la PUCP y Würzburg. Un segundo aspecto de este trabajo involucra las correcciones cuánticas a las masas de los neutrinos ligeros. Dichas correcciones imponen fuertes restricciones a modelos de Seesaw, sin SUSY, en la escala electrodébil. No obstante, hasta la fecha no se ha llevado a cabo un estudio análogo en el SUSY-Seesaw, donde esperamos que las propiedades supersimétricas del modelo controlen las correcciones. Buscaremos calcular estas correcciones a un loop, manualmente, e implementarlas en programas de FORTRAN y Mathematica. Una vez conocidas las condiciones para reducir las correcciones cuánticas, se buscará reproducir dicho espectro usando el programa SPheno, también desarrollado en Würzburg. Con este, se calcularán además predicciones para observables de violación de sabor leptónico.
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