Desvendando Raios Cósmicos: Insights do IceCube
O estudo do IceCube revela detalhes incríveis sobre raios cósmicos e suas origens.
R. Abbasi, M. Ackermann, J. Adams, S. K. Agarwalla, T. Aguado, J. A. Aguilar, M. Ahlers, J. M. Alameddine, N. M. Amin, K. Andeen, C. Argüelles, Y. Ashida, S. Athanasiadou, S. N. Axani, R. Babu, X. Bai, A. Balagopal V., M. Baricevic, S. W. Barwick, S. Bash, V. Basu, R. Bay, J. J. Beatty, J. Becker Tjus, J. Beise, C. Bellenghi, S. BenZvi, D. Berley, E. Bernardini, D. Z. Besson, E. Blaufuss, L. Bloom, S. Blot, F. Bontempo, J. Y. Book Motzkin, C. Boscolo Meneguolo, S. Böser, O. Botner, J. Böttcher, J. Braun, B. Brinson, Z. Brisson-Tsavoussis, J. Brostean-Kaiser, L. Brusa, R. T. Burley, D. Butterfield, M. A. Campana, I. Caracas, K. Carloni, J. Carpio, S. Chattopadhyay, N. Chau, Z. Chen, D. Chirkin, S. Choi, B. A. Clark, C. Cochling, A. Coleman, P. Coleman, G. H. Collin, A. Connolly, J. M. Conrad, R. Corley, D. F. Cowen, C. De Clercq, J. J. DeLaunay, D. Delgado, S. Deng, A. Desai, P. Desiati, K. D. de Vries, G. de Wasseige, T. DeYoung, A. Diaz, J. C. Díaz-Vélez, P. Dierichs, M. Dittmer, A. Domi, L. Draper, H. Dujmovic, D. Durnford, K. Dutta, M. A. DuVernois, T. Ehrhardt, L. Eidenschink, A. Eimer, P. Eller, E. Ellinger, S. El Mentawi, D. Elsässer, R. Engel, H. Erpenbeck, W. Esmail, J. Evans, P. A. Evenson, K. L. Fan, K. Fang, K. Farrag, A. R. Fazely, A. Fedynitch, N. Feigl, S. Fiedlschuster, C. Finley, L. Fischer, D. Fox, A. Franckowiak, S. Fukami, P. Fürst, J. Gallagher, E. Ganster, A. Garcia, M. Garcia, G. Garg, E. Genton, L. Gerhardt, A. Ghadimi, C. Girard-Carillo, C. Glaser, T. Glüsenkamp, J. G. Gonzalez, S. Goswami, A. Granados, D. Grant, S. J. Gray, S. Griffin, S. Griswold, K. M. Groth, D. Guevel, C. Günther, P. Gutjahr, K. Gruchot, C. Ha, C. Haack, A. Hallgren, L. Halve, F. Halzen, L. Hamacher, H. Hamdaoui, M. Ha Minh, M. Handt, K. Hanson, J. Hardin, A. A. Harnisch, P. Hatch, A. Haungs, J. Häußler, A. Hardy, W. Hayes, K. Helbing, J. Hellrung, J. Hermannsgabner, L. Heuermann, N. Heyer, S. Hickford, A. Hidvegi, C. Hill, G. C. Hill, R. Hmaid, K. D. Hoffman, S. Hori, K. Hoshina, M. Hostert, W. Hou, T. Huber, K. Hultqvist, M. Hünnefeld, R. Hussain, K. Hymon, A. Ishihara, W. Iwakiri, M. Jacquart, S. Jain, O. Janik, M. Jansson, M. Jeong, M. Jin, B. J. P. Jones, N. Kamp, D. Kang, W. Kang, X. Kang, A. Kappes, D. Kappesser, L. Kardum, T. Karg, M. Karl, A. Karle, A. Katil, U. Katz, M. Kauer, J. L. Kelley, M. Khanal, A. Khatee Zathul, A. Kheirandish, J. Kiryluk, S. R. Klein, Y. Kobayashi, A. Kochocki, R. Koirala, H. Kolanoski, T. Kontrimas, L. Köpke, C. Kopper, D. J. Koskinen, P. Koundal, M. Kowalski, T. Kozynets, N. Krieger, J. Krishnamoorthi, K. Kruiswijk, E. Krupczak, A. Kumar, E. Kun, N. Kurahashi, N. Lad, C. Lagunas Gualda, M. Lamoureux, M. J. Larson, F. Lauber, J. P. Lazar, J. W. Lee, K. Leonard DeHolton, A. Leszczyńska, J. Liao, M. Lincetto, Y. T. Liu, M. Liubarska, C. Love, L. Lu, F. Lucarelli, W. Luszczak, Y. Lyu, J. Madsen, E. Magnus, K. B. M. Mahn, Y. Makino, E. Manao, S. Mancina, A. Mand, W. Marie Sainte, I. C. Mariş, S. Marka, Z. Marka, M. Marsee, I. Martinez-Soler, R. Maruyama, F. Mayhew, F. McNally, J. V. Mead, K. Meagher, S. Mechbal, A. Medina, M. Meier, Y. Merckx, L. Merten, J. Mitchell, T. Montaruli, R. W. Moore, Y. Morii, R. Morse, M. Moulai, A. Moy, T. Mukherjee, R. Naab, M. Nakos, U. Naumann, J. Necker, A. Negi, L. Neste, M. Neumann, H. Niederhausen, M. U. Nisa, K. Noda, A. Noell, A. Novikov, A. Obertacke Pollmann, V. O'Dell, A. Olivas, R. Orsoe, J. Osborn, E. O'Sullivan, V. Palusova, H. Pandya, N. Park, G. K. Parker, V. Parrish, E. N. Paudel, L. Paul, C. Pérez de los Heros, T. Pernice, J. Peterson, A. Pizzuto, M. Plum, A. Pontén, Y. Popovych, M. Prado Rodriguez, B. Pries, R. Procter-Murphy, G. T. Przybylski, L. Pyras, C. Raab, J. Rack-Helleis, N. Rad, M. Ravn, K. Rawlins, Z. Rechav, A. Rehman, E. Resconi, S. Reusch, W. Rhode, B. Riedel, A. Rifaie, E. J. Roberts, S. Robertson, S. Rodan, G. Roellinghoff, M. Rongen, A. Rosted, C. Rott, T. Ruhe, L. Ruohan, D. Ryckbosch, I. Safa, J. Saffer, D. Salazar-Gallegos, P. Sampathkumar, A. Sandrock, M. Santander, S. Sarkar, J. Savelberg, P. Savina, P. Schaile, M. Schaufel, H. Schieler, S. Schindler, L. Schlickmann, B. Schlüter, F. Schlüter, N. Schmeisser, E. Schmidt, T. Schmidt, J. Schneider, F. G. Schröder, L. Schumacher, S. Schwirn, S. Sclafani, D. Seckel, L. Seen, M. Seikh, M. Seo, S. Seunarine, P. Sevle Myhr, R. Shah, S. Shefali, N. Shimizu, M. Silva, A. Simmons, B. Skrzypek, B. Smithers, R. Snihur, J. Soedingrekso, A. Søgaard, D. Soldin, P. Soldin, G. Sommani, C. Spannfellner, G. M. Spiczak, C. Spiering, J. Stachurska, M. Stamatikos, T. Stanev, T. Stezelberger, T. Stürwald, T. Stuttard, G. W. Sullivan, I. Taboada, S. Ter-Antonyan, A. Terliuk, M. Thiesmeyer, W. G. Thompson, A. Thorpe, J. Thwaites, S. Tilav, K. Tollefson, C. Tönnis, S. Toscano, D. Tosi, A. Trettin, R. Turcotte, M. A. Unland Elorrieta, A. K. Upadhyay, K. Upshaw, A. Vaidyanathan, N. Valtonen-Mattila, J. Vandenbroucke, N. van Eijndhoven, D. Vannerom, J. van Santen, J. Vara, F. Varsi, J. Veitch-Michaelis, M. Venugopal, M. Vereecken, S. Vergara Carrasco, S. Verpoest, D. Veske, A. Vijai, C. Walck, A. Wang, C. Weaver, P. Weigel, A. Weindl, J. Weldert, A. Y. Wen, C. Wendt, J. Werthebach, M. Weyrauch, N. Whitehorn, C. H. Wiebusch, D. R. Williams, L. Witthaus, M. Wolf, H. Woodward, G. Wrede, X. W. Xu, J. P. Yanez, E. Yildizci, S. Yoshida, R. Young, S. Yu, T. Yuan, A. Zegarelli, S. Zhang, Z. Zhang, P. Zhelnin, P. Zilberman, M. Zimmerman
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Índice
- O Observatório de Neutrinos IceCube
- Coletando Dados de Raios Cósmicos
- Entendendo a Anisotropia dos Raios Cósmicos
- O Experimento
- Técnicas de Análise de Dados
- O Papel das Simulações de Monte Carlo
- Espectro de Energia dos Raios Cósmicos
- O Estudo de Doze Anos
- Resultados da Análise de Dados
- Comparando com Estudos Anteriores
- Direções Futuras
- Lidando com Incertezas Sistêmicas
- Implicações dos Raios Cósmicos
- Conclusão
- Fonte original
- Ligações de referência
Raios Cósmicos são partículas de alta energia que vêm do espaço e atingem a atmosfera da Terra. A maioria deles vem de fontes na nossa própria galáxia, a Via Láctea, mas alguns podem vir de galáxias mais distantes. Quando esses raios colidem com a atmosfera, eles batem em moléculas de ar e criam chuvas de partículas secundárias, incluindo múons, que é o que o observatório IceCube detecta principalmente.
O Observatório de Neutrinos IceCube
Localizado no Polo Sul, o Observatório de Neutrinos IceCube é um detector enorme projetado para capturar neutrinos, que são partículas quase sem massa que interagem só de forma fraca com a matéria. O observatório está enterrado no gelo da Antártica e tem milhares de sensores lá embaixo. O objetivo é desvendar os mistérios em torno dos raios cósmicos e sua origem.
Coletando Dados de Raios Cósmicos
Entre 13 de maio de 2011 e 12 de maio de 2023, o IceCube coletou uma quantidade impressionante de dados—792 bilhões de eventos de raios cósmicos. Esse estudo de longo prazo é crucial para ter uma imagem mais precisa da direção de chegada dos raios cósmicos no Hemisfério Sul. Com esses dados, os cientistas esperam aprender mais sobre as propriedades dos raios cósmicos, como sua energia, locais de origem e como eles se movem pelo espaço.
Entendendo a Anisotropia dos Raios Cósmicos
O termo "anisotropia" se refere à distribuição desigual de raios cósmicos vindo de diferentes direções no céu. Isso significa que algumas áreas podem receber mais raios cósmicos atingindo a Terra do que outras. O IceCube quer medir essa anisotropia para entender melhor as fontes dos raios cósmicos e como eles interagem com o universo.
O Experimento
A configuração experimental do IceCube consiste em uma rede de módulos ópticos digitais (DOMs) embutidos no gelo. Esses sensores conseguem detectar a luz gerada quando os neutrinos interagem com o gelo ou rochas próximas. À medida que esses neutrinos viajam pelo espaço, acredita-se que eles carregam informações sobre suas origens, o que é crucial para entender fenômenos cósmicos.
Técnicas de Análise de Dados
Para analisar os dados dos raios cósmicos, os pesquisadores desenvolveram várias técnicas para criar mapas do céu. Esses mapas ajudam a visualizar as direções de chegada dos raios cósmicos e a medir a intensidade deles de diferentes regiões do céu. As técnicas envolvem cálculos complexos e simulações para garantir a precisão.
O Papel das Simulações de Monte Carlo
Simulações de Monte Carlo são modelos matemáticos que usam amostragem aleatória para entender sistemas complexos. No caso dos raios cósmicos, as simulações ajudam os pesquisadores a estimar as direções e energias esperadas dos raios cósmicos detectados pelo IceCube. Comparando os dados reais com essas simulações, os cientistas podem refinar suas teorias e melhorar nossa compreensão dos raios cósmicos.
Espectro de Energia dos Raios Cósmicos
O espectro de energia dos raios cósmicos se refere à distribuição deles com base em seus níveis de energia. Acredita-se amplamente que a maioria dos raios cósmicos detectados na Terra abaixo de um certo limite de energia é produzida dentro da nossa galáxia. As partículas de alta energia são de interesse particular porque podem vir de fontes exóticas, como supernovas ou buracos negros.
O Estudo de Doze Anos
O estudo de doze anos sobre raios cósmicos realizado pelo IceCube trouxe insights valiosos sobre a natureza desses raios. Os pesquisadores notaram mudanças na estrutura angular da anisotropia dos raios cósmicos entre limites de energia específicos, especialmente entre 10 TeV e 1 PeV (peta-electron volts). Essa mudança sugere que as características dos raios cósmicos evoluem com os níveis de energia.
Resultados da Análise de Dados
Os resultados da análise de dados do IceCube mostraram que a anisotropia dos raios cósmicos exibe padrões complexos em vez de distribuições simples e uniformes. Analisando o espectro de potência angular, os cientistas podem entender melhor as características em diferentes níveis de energia. Variações nas direções de chegada dos raios cósmicos revelam tanto características em grande escala quanto estruturas menores que podem indicar como os raios cósmicos se propagam pelo espaço.
Comparando com Estudos Anteriores
As descobertas do IceCube se baseiam em pesquisas anteriores na física dos raios cósmicos, que historicamente se concentraram em experimentos baseados no solo. Embora esses estudos anteriores tenham contribuído para a compreensão geral dos raios cósmicos, a configuração única do IceCube permite medições muito mais precisas das direções e energias de chegada dos raios cósmicos. Essa maior precisão é vital para montar o quebra-cabeça cósmico maior.
Direções Futuras
Olhando para frente, o IceCube planeja expandir suas observações. Isso inclui usar dados de outros detectores e colaborar com parceiros internacionais para criar uma compreensão mais abrangente dos raios cósmicos. Avanços recentes na tecnologia dos detectores prometem melhorar ainda mais as capacidades de detecção de raios cósmicos, possivelmente levando a descobertas inovadoras.
Lidando com Incertezas Sistêmicas
Para garantir a precisão de suas descobertas, os pesquisadores do IceCube têm trabalhado ativamente para minimizar incertezas sistêmicas em suas medições. Implementando procedimentos cuidadosos para coleta e análise de dados, a equipe do IceCube busca criar uma imagem mais clara dos raios cósmicos e seus comportamentos.
Implicações dos Raios Cósmicos
O estudo dos raios cósmicos tem implicações abrangentes para várias áreas da ciência, incluindo astrofísica e física de partículas. Entender os raios cósmicos pode fornecer insights sobre processos cósmicos fundamentais, a natureza da matéria escura e as interações de diferentes formas de matéria no universo.
Conclusão
O estudo de doze anos do Observatório de Neutrinos IceCube sobre raios cósmicos traz à luz os complexos fenômenos cósmicos que influenciam nossa galáxia e além. Com a ajuda de tecnologia avançada e análises de dados cuidadosas, os pesquisadores continuam a desvendar novos segredos do universo, um raio cósmico de cada vez. E quem sabe? Talvez um dia descubramos do que os raios cósmicos realmente são feitos—como a receita secreta do universo para os melhores cookies de chocolate!
Fonte original
Título: Observation of Cosmic-Ray Anisotropy in the Southern Hemisphere with Twelve Years of Data Collected by the IceCube Neutrino Observatory
Resumo: We analyzed the 7.92$\times 10^{11}$ cosmic-ray-induced muon events collected by the IceCube Neutrino Observatory from May 13, 2011, when the fully constructed experiment started to take data, to May 12, 2023. This dataset provides an up-to-date cosmic-ray arrival direction distribution in the Southern Hemisphere with unprecedented statistical accuracy covering more than a full period length of a solar cycle. Improvements in Monte Carlo event simulation and better handling of year-to-year differences in data processing significantly reduce systematic uncertainties below the level of statistical fluctuations compared to the previously published results. We confirm the observation of a change in the angular structure of the cosmic-ray anisotropy between 10 TeV and 1 PeV, more specifically in the 100-300 TeV energy range.
Autores: R. Abbasi, M. Ackermann, J. Adams, S. K. Agarwalla, T. Aguado, J. A. Aguilar, M. Ahlers, J. M. Alameddine, N. M. Amin, K. Andeen, C. Argüelles, Y. Ashida, S. Athanasiadou, S. N. Axani, R. Babu, X. Bai, A. Balagopal V., M. Baricevic, S. W. Barwick, S. Bash, V. Basu, R. Bay, J. J. Beatty, J. Becker Tjus, J. Beise, C. Bellenghi, S. BenZvi, D. Berley, E. Bernardini, D. Z. Besson, E. Blaufuss, L. Bloom, S. Blot, F. Bontempo, J. Y. Book Motzkin, C. Boscolo Meneguolo, S. Böser, O. Botner, J. Böttcher, J. Braun, B. Brinson, Z. Brisson-Tsavoussis, J. Brostean-Kaiser, L. Brusa, R. T. Burley, D. Butterfield, M. A. Campana, I. Caracas, K. Carloni, J. Carpio, S. Chattopadhyay, N. Chau, Z. Chen, D. Chirkin, S. Choi, B. A. Clark, C. Cochling, A. Coleman, P. Coleman, G. H. Collin, A. Connolly, J. M. Conrad, R. Corley, D. F. Cowen, C. De Clercq, J. J. DeLaunay, D. Delgado, S. Deng, A. Desai, P. Desiati, K. D. de Vries, G. de Wasseige, T. DeYoung, A. Diaz, J. C. Díaz-Vélez, P. Dierichs, M. Dittmer, A. Domi, L. Draper, H. Dujmovic, D. Durnford, K. Dutta, M. A. DuVernois, T. Ehrhardt, L. Eidenschink, A. Eimer, P. Eller, E. Ellinger, S. El Mentawi, D. Elsässer, R. Engel, H. Erpenbeck, W. Esmail, J. Evans, P. A. Evenson, K. L. Fan, K. Fang, K. Farrag, A. R. Fazely, A. Fedynitch, N. Feigl, S. Fiedlschuster, C. Finley, L. Fischer, D. Fox, A. Franckowiak, S. Fukami, P. Fürst, J. Gallagher, E. Ganster, A. Garcia, M. Garcia, G. Garg, E. Genton, L. Gerhardt, A. Ghadimi, C. Girard-Carillo, C. Glaser, T. Glüsenkamp, J. G. Gonzalez, S. Goswami, A. Granados, D. Grant, S. J. Gray, S. Griffin, S. Griswold, K. M. Groth, D. Guevel, C. Günther, P. Gutjahr, K. Gruchot, C. Ha, C. Haack, A. Hallgren, L. Halve, F. Halzen, L. Hamacher, H. Hamdaoui, M. Ha Minh, M. Handt, K. Hanson, J. Hardin, A. A. Harnisch, P. Hatch, A. Haungs, J. Häußler, A. Hardy, W. Hayes, K. Helbing, J. Hellrung, J. Hermannsgabner, L. Heuermann, N. Heyer, S. Hickford, A. Hidvegi, C. Hill, G. C. Hill, R. Hmaid, K. D. Hoffman, S. Hori, K. Hoshina, M. Hostert, W. Hou, T. Huber, K. Hultqvist, M. Hünnefeld, R. Hussain, K. Hymon, A. Ishihara, W. Iwakiri, M. Jacquart, S. Jain, O. Janik, M. Jansson, M. Jeong, M. Jin, B. J. P. Jones, N. Kamp, D. Kang, W. Kang, X. Kang, A. Kappes, D. Kappesser, L. Kardum, T. Karg, M. Karl, A. Karle, A. Katil, U. Katz, M. Kauer, J. L. Kelley, M. Khanal, A. Khatee Zathul, A. Kheirandish, J. Kiryluk, S. R. Klein, Y. Kobayashi, A. Kochocki, R. Koirala, H. Kolanoski, T. Kontrimas, L. Köpke, C. Kopper, D. J. Koskinen, P. Koundal, M. Kowalski, T. Kozynets, N. Krieger, J. Krishnamoorthi, K. Kruiswijk, E. Krupczak, A. Kumar, E. Kun, N. Kurahashi, N. Lad, C. Lagunas Gualda, M. Lamoureux, M. J. Larson, F. Lauber, J. P. Lazar, J. W. Lee, K. Leonard DeHolton, A. Leszczyńska, J. Liao, M. Lincetto, Y. T. Liu, M. Liubarska, C. Love, L. Lu, F. Lucarelli, W. Luszczak, Y. Lyu, J. Madsen, E. Magnus, K. B. M. Mahn, Y. Makino, E. Manao, S. Mancina, A. Mand, W. Marie Sainte, I. C. Mariş, S. Marka, Z. Marka, M. Marsee, I. Martinez-Soler, R. Maruyama, F. Mayhew, F. McNally, J. V. Mead, K. Meagher, S. Mechbal, A. Medina, M. Meier, Y. Merckx, L. Merten, J. Mitchell, T. Montaruli, R. W. Moore, Y. Morii, R. Morse, M. Moulai, A. Moy, T. Mukherjee, R. Naab, M. Nakos, U. Naumann, J. Necker, A. Negi, L. Neste, M. Neumann, H. Niederhausen, M. U. Nisa, K. Noda, A. Noell, A. Novikov, A. Obertacke Pollmann, V. O'Dell, A. Olivas, R. Orsoe, J. Osborn, E. O'Sullivan, V. Palusova, H. Pandya, N. Park, G. K. Parker, V. Parrish, E. N. Paudel, L. Paul, C. Pérez de los Heros, T. Pernice, J. Peterson, A. Pizzuto, M. Plum, A. Pontén, Y. Popovych, M. Prado Rodriguez, B. Pries, R. Procter-Murphy, G. T. Przybylski, L. Pyras, C. Raab, J. Rack-Helleis, N. Rad, M. Ravn, K. Rawlins, Z. Rechav, A. Rehman, E. Resconi, S. Reusch, W. Rhode, B. Riedel, A. Rifaie, E. J. Roberts, S. Robertson, S. Rodan, G. Roellinghoff, M. Rongen, A. Rosted, C. Rott, T. Ruhe, L. Ruohan, D. Ryckbosch, I. Safa, J. Saffer, D. Salazar-Gallegos, P. Sampathkumar, A. Sandrock, M. Santander, S. Sarkar, J. Savelberg, P. Savina, P. Schaile, M. Schaufel, H. Schieler, S. Schindler, L. Schlickmann, B. Schlüter, F. Schlüter, N. Schmeisser, E. Schmidt, T. Schmidt, J. Schneider, F. G. Schröder, L. Schumacher, S. Schwirn, S. Sclafani, D. Seckel, L. Seen, M. Seikh, M. Seo, S. Seunarine, P. Sevle Myhr, R. Shah, S. Shefali, N. Shimizu, M. Silva, A. Simmons, B. Skrzypek, B. Smithers, R. Snihur, J. Soedingrekso, A. Søgaard, D. Soldin, P. Soldin, G. Sommani, C. Spannfellner, G. M. Spiczak, C. Spiering, J. Stachurska, M. Stamatikos, T. Stanev, T. Stezelberger, T. Stürwald, T. Stuttard, G. W. Sullivan, I. Taboada, S. Ter-Antonyan, A. Terliuk, M. Thiesmeyer, W. G. Thompson, A. Thorpe, J. Thwaites, S. Tilav, K. Tollefson, C. Tönnis, S. Toscano, D. Tosi, A. Trettin, R. Turcotte, M. A. Unland Elorrieta, A. K. Upadhyay, K. Upshaw, A. Vaidyanathan, N. Valtonen-Mattila, J. Vandenbroucke, N. van Eijndhoven, D. Vannerom, J. van Santen, J. Vara, F. Varsi, J. Veitch-Michaelis, M. Venugopal, M. Vereecken, S. Vergara Carrasco, S. Verpoest, D. Veske, A. Vijai, C. Walck, A. Wang, C. Weaver, P. Weigel, A. Weindl, J. Weldert, A. Y. Wen, C. Wendt, J. Werthebach, M. Weyrauch, N. Whitehorn, C. H. Wiebusch, D. R. Williams, L. Witthaus, M. Wolf, H. Woodward, G. Wrede, X. W. Xu, J. P. Yanez, E. Yildizci, S. Yoshida, R. Young, S. Yu, T. Yuan, A. Zegarelli, S. Zhang, Z. Zhang, P. Zhelnin, P. Zilberman, M. Zimmerman
Última atualização: 2024-12-06 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2412.05046
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2412.05046
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Alterações: Este resumo foi elaborado com a assistência da AI e pode conter imprecisões. Para obter informações exactas, consulte os documentos originais ligados aqui.
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