Física

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Combined electrokinetic manipulations of pathogenic bacterial samples in low-cost fabricated dielectrophoretic devices
(2019-11-13) Martínez Brenes, Alejandro; Torres Castro, Karina; Espinoza Araya, Christopher; Acuña Umaña, Katherine; Ramírez Carranza, Raquel; González Espinoza, Gabriela; Rojas Castro, Norman; Guzmán Verri, Caterina; Sáenz Arce, Giovanni; Lesser Rojas, Leonardo; Marín Benavides, Richard
A low-cost fabrication method of microfluidic devices with micrometer-sized constrictions used for electrodeless dielectrophoresis (eDEP) is demonstrated here. A structure on a commercial printed circuit board (PCB) template of one-sided copper clad fiberglass-epoxy laminate was used as a molding master for polydimethylsiloxane (PDMS) soft lithography. This was achieved by printing a constriction-based microchannel pattern on glossy paper with a micrometer-scaled resolution laser printer and transferring it to the laminate’s Cu face, rendering a microstructure of ∼17 µm height and various widths across tips. The Cu master’s pattern was transferred to PDMS, and smooth constrictions were observed under the microscope. Following air plasma encapsulation, PDMS chips were loaded with an inactivated bacterial sample of fluorescently stained Brucella abortus vaccine strain S-19 and connected to an amplified voltage source to examine the sample’s response to electric field variations. After an AC/DC electric field was applied to the bacterial solution in the microfluidic device, the combined effect of electrokinetic + hydrodynamic mechanisms that interact near the dielectric microconstrictions and exert forces to the sample was observed and later confirmed by COMSOL simulations. Our fabrication method is an alternative to be used when there is no access to advanced microfabrication facilities and opens ways for target selection and preconcentration of intracellular pathogens as well as sample preparation for metagenomics.
Implementacion y comparación de sistemas dosimetricos en la evaluacion de QA paciente especifico para la tecnica VMAT en el Hospital Mexico en Costa Rica
(2024-07-05) Hincapie Hernández, Leonel; Campos Garcia, Juan Pablo
Los avances acelerados de la radioterapia con métodos de tratamiento más avanzados como IMRT y VMAT, exigen una evolución de forma conjunta de la protección radiológica con el fin de contar cada día con sistemas de dosimetría paciente específico cada vez más robustos y precisos, que permitan comprobar que las dosis planificadas son efectivamente las que se entregarán al paciente en el equipo emisor de radiación. Se implementó un nuevo sistema de dosimetría paciente especifico en el Hospital México de Costa Rica, con películas radiocrómicas EBT3 para la evaluación de planes de tratamientos IMRT y VMAT complejos. Para la implementación de este sistema de dosimetría paciente específico se utilizó TC anónimas del paquete computacional eclipse de Varian, el acelerador lineal Halcyon, se planificaron 5 planes de próstata con el método VMAT, se realizó el análisis de dosimetría paciente específico no solo con las películas radiocrómicas si no también con los dos sistemas existentes en el servicio de radioterapia del Hospital México, el portal dosimetry y el Matrixx resolution. Con la implementación de las películas radiocrómicas EBT3 se evaluaron los planes de próstata realizados y además se evaluaron los otros dos sistemas de dosimetría en el servicio de radioterapia. Se pudo desarrollar un protocolo estructurado de la implementación de la dosimetría paciente específico con películas radiocrómicas, protocolo en marcado en tres componentes: protocolo para la corrección lateral, protocolo para el cálculo de las curva de respuesta y protocolo para el análisis y comparación de dosis. La verificación se realizó mediante el análisis gamma en los tres sistemas de dosimetría paciente específico, Portal dosimetry, Matrixx resolution y Películas radiocrómicas. Se encontró una buena concordancia en los tres sistema y se puedo observar las mismas discrepancias en un plan de verificación tanto en el Matrixx resolution como en las películas radiocrómicas, garantizando así que los sistema se encuentran dentro de los márgenes de incertidumbre aceptable para ser utilizado a nivel clínico como un paquete conjunto de dosimetría paciente específico.
Estimation of Primary and Scatter Signal Profiles in Computer Tomography using Geant4
(2024-06-11) Arroyo Portilla, Daniel José; Porras Chaverri, Mariela
A method to obtain the scatter signal profiles from a commercially available computer tomography scanner, using Geant4 a Monte Carlo toolkit for C++ to create a code that mimics the most important structures of the scanner, like the bowtie filter, detecting el- ements and septa. A uniform water phantom with different diameters can be placed at the isocenter to study the scatter generated and the attenuation of the signal in the de- tecting structure. The signal characterization algorithm finds the last photon interaction before reaching a detecting element to assign based on the volume scatter profiles. Simulations without the phantom show that the crosstalk signal is between 1% and 2% of the total signal for both source energies and collimations, the septa scatter signal is lower but at the edges of each detecting module surpassing the bowtie and air signal contributions, the bowtie signal is about 0.1% of the air scan in the central module and up to 2% when moving away from the center of the detecting structure. Simulations with the phantom present show a total attenuation in the detecting struc- ture of from 2% for the smaller phantom up to 0.14% for the biggest one. Phantom scat- ter varies with the source energy and collimation, contributing up to 5% with a 320mm diameter phantom. Normalized scatter profiles can help to understand the effect of the phantom signal in a projection, simulations with all the scanner structures present and simulations where the bowtie and/or anti-scatter grid is missing can show the impact of the structures when it comes to reducing the scatter signal. Also, small signal contributions from the scanner structures and the air can be identified and assessed to see the impact on the total signal. The code developed successfully mimics the scatter signal of a CT scanner and separates it into the different scatter sources from the phantom to the scanner structures and air.
Análisis de métricas de calidad de imagen en equipos de radiología digital dentro de un programa de control de calidad remoto y automatizada
(2024) Soto Chinchilla, Yerry Alberto; Mora Rodríguez, Patricia
Se realizó un estudio cuyo propósito fue investigar la correlación entre métricas de calidad de imagen para equipos digitales de mamografía y radiología, para ello se creó una página web que almacenara las métricas y mostrara los cambios en el tiempo mediante gráficos de control, asimismo, se utilizaron rangos intercuartílicos para determinar si hubo valores que salieron de una banda de dos desviaciones estándar alrededor de la media en una distribución normal. Las métricas de calidad de imagen se extrajeron de un total de 163 imágenes para radiología convencional desde el 6 de junio de 2017 hasta el 25 de marzo de 2021 abarcando un antes y después de cambiar el tubo de rayos X y 144 de mamografía desde el 5 de junio de 2017 hasta el 26 de junio de 2020 abarcando un cambio de detector en el mamógrafo. También se obtuvo de dichas imágenes sus mapas de varianza. Los resultados muestran que las métricas que arrojan diferencias significativas para el caso de radiología convencional fueron la Relación Señal Ruido (SNR) e índice de sensibilidad (d') y para mamografía se evidencian dichas diferencias en las métricas Relación Diferencia de Señal Ruido (SDNR), Relación Señal Ruido e Índice de Sensibilidad (d'), además en virtud del análisis temporal de los mapas de varianza se comprobó que en mamografía existía fatiga del equipo que pueden provocar la existencia de artefactos que se manifiesten en el futuro que podrían llegar a ser significativos en imágenes médicas cuando se requiera la búsqueda de pequeños objetos.
First Magnetohydrodynamic Simulations of Jets and Radiative Feedback from a Massive Star
(2024-05) Barquero Alvarado, Joshua; Frutos Alfaro, Francisco
The study of massive protostars requires the explicit use of numerical simulations that allow us to follow the early stages of events defining the evolution of these stellar objects. This project aims to understand the complex processes occurring within the accretion material falling onto the star and the various dynamics within the molecular cloud. To achieve this, we utilize the state-of-the-art program known as PLUTO, combined with modules enabling us to solve the equations for magnetohydrodynamics, radiation, photoionization, and self-gravity. Consequently, we conduct our study to comprehend the impact of these modules on the star by running different simulations with alternating modules enabled. Finally, we compare the changes these modules induce in the star’s evolution and the final properties of the massive star. Protostellar outflows alone limit stellar mass growth in an accretion scenario with a finite mass reservoir. Radiative feedback dominates the latter stages of stellar formation around the zero-age main sequence. Specifically, we observe that radiation forces restrain gravitational infall toward the disk, affect the magneto-gravito-centrifugal equilibrium, and completely halt stellar accretion, resulting in a star with a mass of approximately 40 M⊙ at around 100 kyr. While photoionization widens the bipolar outflow cavities and reduces the gravitational infall momentum by about 50%, it does not limit stellar mass accretion until later stages, resulting in a star with a mass of approximately 45 M⊙ at around 120 kyr. In contrast, simulations that do not implement radiative interactions from these modules continue to accrete material at this time, and we report masses of approximately 75 M⊙ when negleting radiative force feedback.
Multidisciplinary approach to the study of large-format oil paintings
(2023-02) Calderón Mesén, Paula; Jaikel Víquez, Daniela; Barrantes Madrigal, Melissa Daniela; Sánchez Solís, Joseline; Mena Vega, Jean Paul; Arguedas Molina, Jazmín; Ureña Alvarado, Keilyn; Maynar Hernández, Gabriel; Santamaría Montero, Leonardo; Cob Delgado, María; Angulo Pardo, Estefanía; Vallejo, Felipe; Sandoval Gutiérrez, María Isabel; Durán Quesada, Ana María; Redondo Solano, Mauricio; Herrara Sancho, Oscar Andrey
Cultural heritage has become a keystone for comprehending our society, as it represents and reflects our origins, passions, beliefs and traditions. Furthermore, it provides fundamental information about specific temporary spaces, materials’ availability, technology, artist’s intention, and site weather conditions. Our aim was to develop a multidisciplinary approach with a main focus on investigating two Italian large-format paintings located in highly diverse environments such as the National Theater of Costa Rica. We monitored environmental conditions and quantified fungal aerial spores. Then, we determined regions of possible biodeterioration with the software MicroorganismPattern and used the software PigmentArrangement to elucidate the apparent colour of the paintings based on distribution and arrangement of the pigment crystals. Finally, we characterized eight genera of calcareous nannofossils found in the ground layers of the artwork. The former Men’s Canteen at the National Theater of Costa Rica presented a mean air temperature of 23.5 C, a relative humidity of 72.7% and a concentration of CO of 570 ppm. The fungal aerial concentration was 1776 spores/m . The software MicroorganismPattern identified 32 sampling regions, out of which 11 were positive for microbial contamination. The software PigmentArrangement determined that the blue crystals (ultramarine pigment) had the shortest distances between themselves (29 μ m). Finally, the nanofossils identified enabled us to restrict the age of the material to a biostratigraphic interval ranging from Coniacian to Maastricthian ages. By using a multidisciplinary approach we were able to explore the diptych, suggest a set of minimally invasive perspectives in tropical environments to be used worldwide and obtain key information about the artist’s artistic process, materials used along with better understand its state of conservation.
Simulación de escenarios de calentamiento por microondas para conocer las condiciones de la propagación de ondas de Bernstein electrónicas en el plasma del stellarator SCR-1
(2024) Solano Piedra, Ricardo; Vargas Blanco, Iván
El Laboratorio de Plasmas para Energía de Fusión y Aplicaciones del Tecnológico de Costa Rica alberga al Stellarator de Costa Rica 1 (SCR-1), el primer stellarator modular en Latinoamérica. Enfocado en la investigación de nuevas estrategias del calentamiento del plasma, actualmente se concentra en la generación de ondas de Bernstein electrónicas para alcanzar densidades electrónicas elevadas, con campos magnéticos bajos. Este enfoque ha demostrado ser efectivo en otros dispositivos de confinamiento magnético en la comunidad de fusión. El propósito de este trabajo es definir las características del plasma, el dispositivo de confinamiento magnético y la radiación incidente necesarios para la generación de ondas de Bernstein electrónicas en el plasma del SCR-1. La caracterización del SCR-1 comenzó con un análisis detallado de sus componentes y su proceso de descarga. Utilizando mediciones directas con la sonda simple de Langmuir, se obtuvieron perfiles radiales de densidad y temperatura electrónicas. Los resultados indicaron que la densidad electrónica máxima se mantuvo dentro de los límites teóricos, mientras que el código VMEC reveló un equilibrio magnetohidrodinámico con un bajo parámetro beta y una estabilidad lineal determinada mediante el criterio de Mercier. Se evaluó la viabilidad de las ondas de Bernstein electrónicas mediante simulaciones en tres escenarios de calentamiento diferentes, utilizando el código IPF-FDMC. Las simulaciones se basaron en las características del SCR-1 y ajustaron la densidad electrónica para lograr un plasma sobredenso. Se determinó que la curvatura del plasma y las longitudes de escala característica influyen en la conversión O-X del plasma del SCR-1, alcanzando un máximo del 63 % de conversión. Sin embargo, se identificaron dos de los tres mecanismos de amortiguamiento que podrían afectar la conversión X-B, donde está la conversión SX-FX, colisiones electrónicas y el calentamiento electrónico estocástico. Estos factores podrían reducir significativamente la porción del modo extraordinario lento, posiblemente impidiendo la generación del modo de Bernstein.
Estudio microestructural y elemental de una munición de la Batalla de la Trinidad de Sarapiquí de 1856
(2021) Rojas Rodríguez, Irene; Calderón Mesén, Paula; Herrara Sancho, Oscar Andrey
Este estudio pretende generar un conocimiento integral acerca de la complejidad del hecho histórico de la Batalla en la Trinidad de Sarapiquí de la Campaña Nacional de 1856-1857, particularmente en establecer un diagnóstico de referencia de la macroestructura, microestructura y análisis químico elemental de una munición Minié recuperada de este evento histórico. Por lo tanto, en la investigación reportada aquí se llevó a cabo el primer estudio piloto de una munición tipo Minié recuperada en el 2016 en una excavación en el sitio de La Trinidad, en Sarapiquí, perteneciente al Museo Histórico Cultural Juan Santamaría. Con el fin de obtener información tanto de su estructura interna y externa, se utilizaron las técnicas de microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y análisis elemental por energía dispersiva de rayos X para determinar zonas de interés en la munición y además especificar la composición del revestimiento blanco (pátina) el cual contiene primordialmente tres tipos de elementos: Pb, C y O. Aquí también identificamos la posible presencia de cristales de cerusita en el revestimiento superficial de carbonato de plomo en una munición Minié de 165 años de antigüedad. Cabe destacar que, conocer el arma de origen, es evidencia de gran importancia para contribuir a la reconstrucción del contexto histórico en el cual se desarrolló este hecho bélico y nos permitirá establecer cuáles armas se estaban utilizando en la época, tanto por los combatientes nacionales y centroamericanos, así como las armas del ejército filibustero
La Batalla de la Trinidad de Sarapiquí de 1856: Comprendiendo el origen de las municiones a través del análisis químico y microestructural
(2023) Calderón Mesén, Paula; Herrara Sancho, Oscar Andrey
Infografía sobre la investigación de muestras arqueológicas de la batalla de la Trinidad de Sarapiquí, campaña 1856-1857.
Black hole binaries with natal kicks
(2023) Santiago Leandro, Edwin; Frutos Alfaro, Francisco
Las observaciones de más de 90 ondas gravitacionales observadas por la colaboración LIGO/VIRGO/KAGRA, han permitido obtener información sobre sistemas binarios compactos, como sus masas y espines. El parámetro de espín efectivo del sistema da información importante para discernir el canal de formación de la binaria. En general, se espera que sistemas binarios que se forman por interacciones dinámicas en sistemas estelares densos, tengan espines efectivos con valores aleatorios entre -1 y 1. Por otro lado, binarias formadas por sistemas aislados deberían tener espines efectivos positivos, a no ser que una "patada natal" en la formación del objeto compacto altere la orientación del mismo, y cambie el valor del espín efectivo como resultado. El objetivo de este trabajo es estudiar la viabilidad de obtener patadas natales grandes en la formación de agujeros negros masivos estudiando explosiones de supernova asimétricas, partiendo de modelos estelares de pre-supernova para estrellas de 21M⊙ y 28M⊙, y continuando su movimiento con Simulaciones Hidrodinámicas de Partículas en 3D (SPH). Los resultados muestran que incluso las patadas natales en el orden de ∼ 1000 km/s, que son de las más altas encontradas con observaciones, no siempre son capaces de consistentemente darle la vuelta a la orientación de la órbita. Para esto, se requiere que la patada esté direccionada correctamente, y que la energía de la explosión sea bastante alta.
Aplicación de los protocolos de control de calidad para radiodiagnóstico en América Latina y el Caribe, IAEA-TECDOC-1958, en el CT del Laboratorio Ciclotrón-PET/CT del CICANUM de la Universidad de Costa Rica, utilizando el maniquí ACR 464 y los Advanced iqModules de Sun Nuclear
(2024) Campos Méndez, José Daniel; Mora Ramírez, Erick
Esta investigación se centra en la implementación y evaluación de protocolos de control de calidad en América Latina IAEA-TECDOC-1958 para equipos de tomografía computarizada (CT). El objetivo principal es aplicar estos protocolos utilizando dos maniquíes: ACR 464 y Advanced iqModules. Se adaptaron cinco de los protocolos para el CT del PET/CT Biograph Vision 450 de la Universidad de Costa Rica, comparando las capacidades de ambos maniquíes. Aunque el Advanced iqModules demostró ciertas ventajas, por ejemplo, contando con más insertos para realizar algunas mediciones, careció de los necesarios para determinar la exactitud del número CT. Los resultados de las pruebas fueron en su mayoría aceptables, excepto en la exactitud del número CT. Se identificaron carencias en la especificidad de los protocolos y tolerancias del IAEA-TECDOC-1958. En resumen, la investigación destaca la aplicación del IAEA-TECDOC-1958, evalúa ambos maniquíes y resalta la importancia de adaptar protocolos a equipos específicos, proporcionando información valiosa para la mejora continua del control de calidad en equipos CT.
Evaluacion de la calidad de imagen en la adquisición de imágenes cerebrales utilizando el equipo PET/CT Biograph Vision 450 al variar parámetros de reconstrucción en diferentes protocolos de cerebro
(2024-03-15) Monge Cerdas, Jossue; Mora Ramírez, Erick
La utilización del método de reconstrucción UltraHD-PET (PSF + TOF) permite realizar variaciones de los parámetros de reconstrucción de una imagen PET. Estas variaciones y sus combinaciones influyen en el ruido de la imagen final. En este trabajo, se evalúa las propiedades de la señal y ruido de la imagen en la reconstrucción de imágenes cerebrales a partir de distintos parámetros de reconstrucción utilizando el PET/CT Biograph Vision 450. Se realiza una evaluación de un único método de reconstrucción en combinación con los siguientes parámetros: (1) Iteraciones de 1, 4, 6, 10, 20, 30, 40 (2) Filtros Gaussianos de 3mm,5mm,10mm y Filtro All Pass (3) Tiempos de adquisición de 1, 2, 3, 4, 5 min, esto en conjunto con la utilización de dos protocolos de cerebro con variaciones en la matriz de adquisición de 880 x 880 y 515 x 512 respectivamente. Se utiliza el maniquí Estriatal RSD donde el putamen y núcleo caudado izquierdo funcionan como regiones de alta captación y la cascara cerebral como región de fondo. A partir de esto se evalúa la relación señal ruido (SNR), relación contraste ruido (CNR), variabilidad de fondo(%BV) y rugosidad de imagen(%IR). Se determina que SNR, %IR, %BV aumentan al utilizar más iteraciones y disminuyen al incrementar el tamaño del FWHM del filtro Gaussiano. La CNR disminuye con el incremento de las iteraciones y se aumenta al ampliar el tamaño del FWHM del filtro Gaussiano. Al utilizar distintos tiempos de adquisición se determina qué %BV y %IR disminuyen al utilizar mayores tiempos de adquisición y la CNR aumenta al utilizar mayores tiempos de adquisición, la SNR es independiente de este factor. Al comparar ambos protocolos se define que el protocolo B presenta una mayor SNR y el protocolo A presenta una mayor CNR, %IR y %BV, sin embargo, la diferencia de los últimos dos parámetros es baja.
The Josephson junction as a quantum engine
(2023-11-10) Alicki, Robert; Horodecki, Michal; Jenkins Villalobos, Alejandro; Lobejko, Marcin; Suárez, Gerardo
We treat the Cooper pairs in the superconducting electrodes of a Josephson junction (JJ) as an open system, coupled via Andreev scattering to external baths of electrons. The disequilibrium between the baths generates the direct-current bias applied to the JJ. In the weak-coupling limit we obtain a Markovian master equation that provides a simple dynamical description consistent with the main features of the JJ, including the form of the current-voltage characteristic, its hysteresis, and the appearance under periodic voltage driving of discrete Shapiro steps. For small dissipation, our model also exhibits a self-oscillation of the JJ's electrical dipole with frequency Ω = 2eV/ℏ around mean voltage V. This self-oscillation, associated with "hidden attractors" of the nonlinear equations of motion, explains the observed production of monochromatic radiation with frequency Ω and its harmonics. We argue that this picture of the JJ as a quantum engine resolves open questions about the Josephson effect as an irreversible process and could open new perspectives in quantum thermodynamics and in the theory of dynamical systems.
The High-Altitude water cherenkov (HAWC) observatory in México: The primary detector
(2023-07) Abeysekara, Anushka Udara; Albert, Andrea; Alfaro Molina, José Rubén; Álvarez, César LLorens; Álvarez Romero, Juan de Dios; Araya Arguedas, Miguel; Arteaga Velázquez, Juan Carlos; Arun Babu, Kollamparambil Paul; Ávila Rojas, Daniel Omar; Ayala Solares, Hugo Alberto; Babu, Rishi; Barber, Ahron S.; Becerril, Ana Delia; Belmont Moreno, Ernesto; BenZvi, Segev Y.; Blanco Alonso, Oscar; Braun, James R.; Brisbois, Chad; Caballero Mora, Karen Salomé; Cabrera Martínez, Jesús I.; Capistrán Rojas, Tomás; Carramiñana, Alberto; Casanova, Sabrina; Castillo, Mario A.; Chaparro Amaro, Oscar Roberto; Cotti Gollini, Umberto; Cotzomi, Jorge; Coutiño de León, Sara; De La Fuente Acosta, Eduardo; De León Acuña, Cederik León; DeYoung, Tyce; Díaz Hernández, Raquel; Dingus, Brenda L.; DuVernois, Michael A.; Durocher, Mora; Díaz Vélez, Juan Carlos; Ellsworth, Robert W.; Engel, Kristi L.; Espinoza Hernández, María Catalina; Fan, Kwok Lung; Fang, Ke; Fick, Brian E.; Fleischhack, Henrike; Flores, Jorge Luis; Fraija Cabrera, Nissim Illich; García González, José Andrés; García Torales, Guillermo; Garfias, Fernando; Giacinti, Gwenael; Goksu, Hazal; González, María Magdalena; González Muñoz, Adiv; Goodman, Jordán Alvin; Harding, J. Patrick; Hernández, Emma González; Hernández, Sergio; Hinton, James A.; Hona, Binita; Huang, Dezhi; Hueyotl Zahuantitla, Filiberto; Hui, Chiumun Michelle; Humensky, Thomas Brian; Hüntemeyer, Petra; Iriarte, Arturo; Imran, Asif; Jardin Blicq, Armelle; Joshi, Vikas; Kaufmann, Sarah; Kieda, David B.; Kunde, Gerd J.; Lara Sánchez, Alejandro; Lauer, Robert J.; Lee, William H.; Lennarz, Dirk; León Vargas, Hermes; Linnemann, James T.; Longinotti, Anna Lía; Luis Raya, Gilgamesh; Lundeen, Joseph; Malone, Kelly; Marandon, Vincent; Marinelli, Antonio; Martínez Bravo, Oscar Mario; Martínez Castellanos, Israel; Martínez Castro, Jesús Alberto; Martínez Huerta, Humberto; Matthews, John A.; Miranda Romagnoli, Pedro; Montaruli, Teresa; Morales Soto, Jorge Antonio; Moreno Barbosa, Eduardo; Mostafá, Miguel Alejandro; Nayerhoda, Amid; Nellen, Lukas; Newbold, Michael; Nisa, Mehr Un; Noriega Papaqui, Roberto; Oceguera Becerra, Tomas O.; Olivera Nieto, Laura; Omodei, Nicola; Peisker, Alison; Pérez Araujo, Yunior Frainen; Pérez Pérez, Eucario Gonzalo; Ponce, Lancho Epifanio; Pretz, John; Rho, Chang Dong; Rosa González, Daniel; Ruiz Velasco, Edna Loredana; Salazar Ibarguen, Humberto; Salazar Gallegos, Daniel; Salesa Greus, Francisco; Sandoval, Andrés; Schneider, Michael; Schoorlemmer, Harm; Serna Franco, José E.; Sinnis, Gus; Smith, Andrew James; Son, Youngwan; Sparks Woodle, Kathryne; Springer, Robert Wayne; Taboada, Ignacio J.; Tepe, Andreas; Tibolla, Omar; Tollefson, Kirsten Anne; Torres Aguilar, Ibrahim Daniel; Torres Escobedo, Ramiro; Turner, Rhiannon; Ureña Mena, Fernando Josué; Ukwatta, Tilan N.; Varela, Enrique; Vargas Magaña, Mariana; Villaseñor Cendejas, Luis Manuel; Wang, Xiaojie; Watson, Ian James; Werner, Felix; Westerhoff, Stefan; Willox, Elijah Job; Wisher, Ian G.; Wood, Joshua; Yodh, Gaurang B.; Zaborov, Dmitry N.; Zepeda, Arnulfo; Zhou, Hao
The High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatory is a second-generation continuously operated, wide field-of-view, TeV gamma-ray observatory. The HAWC observatory and its analysis techniques build on experience of the Milagro experiment in using ground-based water Cherenkov detectors for gamma-ray astronomy. HAWC is located on the Sierra Negra volcano in México at an elevation of 4100 meters above sea level. The completed HAWC observatory principal detector (HAWC) consists of 300 closely spaced water Cherenkov detectors, each equipped with four photomultiplier tubes to provide timing and charge information to reconstruct the extensive air shower energy and arrival direction. The HAWC observatory has been optimized to observe transient and steady emission from sources of gamma rays within an energy range from several hundred GeV to several hundred TeV. However, most of the air showers detected are initiated by cosmic rays, allowing studies of cosmic rays also to be performed. This paper describes the characteristics of the HAWC main array and its hardware.
Revealing a new region of gamma-ray emission in the vicinity of HESS J1825–137
(2019-02-17) Araya Arguedas, Miguel; Mitchell, Alison M. W.; Parsons, R. Daniel
HESS J1825–137 is a bright very high-energy gamma-ray source that has been firmly established as a pulsar wind nebula (PWN), and one of the most extended gamma-ray objects within this category. The progenitor supernova remnant (SNR) for this PWN has not been firmly established. We carried out an analysis of gamma-ray observations in the region of HESS J1825–137 with the Fermi–LAT that reveals emission in the direction away from the Galactic plane. The region lies beyond the PWN and reaches a distance from the pulsar compatible with the supposed location of the SNR shock front. The spectrum of the gamma-rays is hard with a photon index of ∼1.9 in the 10–250 GeV range. Several scenarios for the origin of the emission are discussed, including the SNR as a source of high-energy particles and the ‘leakage’ of leptons from the PWN.
Analysis of Fermi-LAT observations, UHECRs and neutrinos from the radio galaxy Centaurus B
(2019-08-20) Fraija Cabrera, Nissim Illich; Araya Arguedas, Miguel; Galván Gámez, Antonio; De Diego Onsurbe, José Antonio
Centaurus B (Cen B) is one of the closest and brightest radio-loud galaxy in the southern sky. This radio galaxy, proposed as a plausible candidate for accelerating ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs), is near the highest-energy neutrino event reported (IC35) in the High-Energy Starting Events catalog. Pierre Auger observatory reported the highest energy comic rays during 10 years of collecting data with some of them around this source. In this paper, the analysis of the gamma-ray spectrum and the light curve above 200 MeV is presented with nine years of cumulative Fermi-LAT data around Cen B . Taking into consideration the multi-wavelength observations carried out about this radio galaxy, leptonic and hadronic scenarios are introduced in order to fit the spectral energy distribution, assuming that the gamma-ray flux is produced in a region close to the core and in the extended lobes. Using the best-fit values found, several physics properties of this radio galaxy are derived. Furthermore, a statistical analysis of the cosmic ray distribution around Cen B is performed, finding that this distribution is not different from the background at a level of significance of 5%. Considering the UHECR event associated to this source by Moskalenko et al. [1] and extrapolating its luminosity to low energies, we do not find enough evidence to associate the highest-energy neutrino event (IC35) with this radio galaxy.
HAWC and Fermi-LAT detection of extended emission from the unidentified source 2HWC J2006+341
(2020) Albert, Andrea; Alfaro Molina, José Rubén; Álvarez Ochoa, César; Ángeles Camacho, José Roberto; Araya Arguedas, Miguel; Arteaga Velázquez, Juan Carlos; Arun Babu, Kollamparambil Paul; Ávila Rojas, Daniel Omar; Ayala Solares, Hugo Alberto; Baghmanyan, Vardan; Belmont Moreno, Ernesto; Brisbois, Chad; Caballero Mora, Karen Salomé; Carramiñana, Alberto; Casanova, Sabrina; Cotti Gollini, Umberto; De la Fuente Acosta, Eduardo; De León Acuña, Cederik León; Diaz Hernández, Raquel; Dingus, Brenda L.; DuVernois, Michael A.; Durocher, Mora; Díaz Vélez, Juan Carlos; Espinoza Hernández, María Catalina; Fleischhack, Henrike; Fraija Cabrera, Nissim Illich; Galván Gámez, Antonio; García, Distefano; García González, José Andrés; Garfias, Fernando; González, María Magdalena; Goodman, Jordán Alvin; Harding, J. Patrick; Hona, Binita; Huang, Dezhi; Hueyotl Zahuantitla, Filiberto; Hüntemeyer, Petra; Iriarte, Arturo; Jardin Blicq, Armelle; Joshi, Vikas; León Vargas, Hermes; Linnemann, James T.; Longinotti, Anna Lía; López Coto, Rubén; Luis Raya, Gilgamesh; Lundeen, Joseph; Malone, Kelly; Martínez Bravo, Oscar Mario; Martínez Castro, Jesús Alberto; Matthews, John A.; Miranda Romagnoli, Pedro; Moreno Barbosa, Eduardo; Mostafá, Miguel Alejandro; Nellen, Lukas; Nisa, Mehr Un; Noriega Papaqui, Roberto; Omodei, Nicola; Peisker, Alison; Pérez Pérez, Eucario Gonzalo; Rho, Chang Dong; Rosa González, Daniel; Salesa Greus, Francisco; Sandoval, Andrés; Schneider, Michael; Springer, Robert Wayne; Tollefson, Kirsten Anne; Torres Aguilar, Ibrahim Daniel; Torres Escobedo, Ramiro; Ureña Mena, Fernando Josué; Villaseñor Cendejas, Luis Manuel; Weisgarber, Thomas; Willox, Elijah Job; Zepeda, Arnulfo; Zhou, Hao
The discovery of the TeV point source 2HWC J2006+341 was reported in the second HAWC gamma-ray catalog. We present a follow-up study of this source here. The TeV emission is best described by an extended source with a soft spectrum. At GeV energies, an extended source is significantly detected in Fermi-LAT data. The matching locations, sizes, and spectra suggest that both gamma-ray detections correspond to the same source. Different scenarios for the origin of the emission are considered and we rule out an association to the pulsar PSR J2004+3429 due to extreme energetics required, if located at a distance of 10.8 kpc.
G279.0+1.1: a new extended source of high-energy gamma-rays
(2020) Araya Arguedas, Miguel
G279.0+1.1 is a supernova remnant (SNR) with poorly known parameters, first detected as a dim radio source and classified as an evolved system. An analysis of data from the Fermi-Large Area Telescope (LAT) revealing for the first time an extended source of gamma-rays in the region is presented. The diameter of the GeV region found is 2.8 degrees, larger than the latest estimate of the SNR size from radio data. The gamma-ray emission covers most of the known shell and extends further to the north and east of the bulk of the radio emission. The photon spectrum in the 0.5–500 GeV range can be described by a simple power law, with a spectral index of Γ = 1.86 ± 0.03stat ± 0.06sys. In the leptonic scenario, a steep particle spectrum is required and a distance lower than the previously estimated value of 3 kpc is favoured. The possibility that the high-energy emission results from electrons that already escaped the SNR is also investigated. A hadronic scenario for the gamma-rays yields a particle spectral index of ∼2.0 and no significant constraints on the distance. The production of gamma-rays in old SNRs is discussed. More observations of this source are encouraged to probe the true extent of the shell and its age.
A source of gamma rays coincident with the shell of the supernova remnant CTB 80
(2021) Araya Arguedas, Miguel; Herrera, Cristian
CTB 80 (G69.0+2.7) is a relatively old (50–80 kyr) supernova remnant (SNR) with a complex radio morphology showing three extended radio arms and a radio and X-ray nebula near the location of the pulsar PSR B1951+32. We report on a study of the GeV emission in the region of CTB 80 with Fermi-Large Area Telescope data. An extended source with a size of 1.3°, matching the size of the infrared shell associated to the SNR, was discovered. The GeV emission, detected up to an energy of ∼20 GeV, is more significant at the location of the northern radio arm where previous observations imply that the SNR shock is interacting with ambient material. Both hadronic and leptonic scenarios can reproduce the multiwavelength data reasonably well. The hadronic cosmic ray energy density required is considerably larger than the local Galactic value and the gamma-ray leptonic emission is mainly due to bremsstrahlung interactions. We conclude that GeV particles are still trapped or accelerated by the SNR producing the observed high-energy emission when interacting with ambient material.
Probing the origin of 4FGL J0822.8–4207: cosmic ray illumination from the SNR Puppis A and the Herbig-Haro object HH219
(2021) Araya Arguedas, Miguel; Gutiérrez, Luis; Kerby, Stephen
4FGL J0822.8–4207 is a point source found in the 4FGL-DR2 catalogue by the gamma-ray observatory Fermi-LAT and has no known association. We carry out X-ray observations of 4FGL J0822.8–4207 to help understand its nature. We explore two scenarios for the origin of 4FGL J0822.8–4207 . In the first case, we study the possibility that cosmic rays from the supernova remnant (SNR) Puppis A, seen nearby in the sky, reach the dense gas at the location of the source and produce the gamma-rays through inelastic proton–proton collisions. We apply a standard model for particle diffusion in the interstellar medium and derive the required physical parameters. We find that this scenario for the gamma-rays is possible if the gas is located at a distance that is not higher than ∼40 pc from Puppis A, unless the SNR is older than 7 kyr or the diffusion coefficient is higher than typical Galactic values, and relatively low-energy cosmic rays are currently escaping from the SNR. In the second scenario, we consider the protostellar jet HH219 as the origin of the GeV source and find the very interesting possibility that particles could be accelerated up to energies of at least several TeV in HH219. This would make this system the first known of its kind to produce gamma-ray emission extending up to hundreds of GeV without any apparent cut-off and an excellent laboratory to study the process of particle acceleration.

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