Magíster en Ciencias, Mención Astronomía / Cold Dark matter (ΛCDM) models have been remarkably successful to explain the observed large scale structure of our universe on scales of the order of galaxy clusters (≥ 4 Mpc) and above (therefore in this work we consider large scale beyond the aforementioned limit). However, this class of models has some problems at short scales, (∼ 1 Mpc or lower) dubbed Small Scale Controversies . It is important to remark that, for purposes of our work, we consider lower than 1 Mpc as short-scales. One of small scale issues is associated to the Dark Matter halo structure: cosmological simulations that take into account only gravity and collisionless matter, predict halos and substructures with densities much higher than those derived from galactic dynamics and observations. A possible way to conciliate theory with observations is to consider self interactive dark matter (SIDM). Models with SIDM generate predictions consistent with observations on Large Scales, the domain where ΛCDM is successful, but in addition it does not conflict with observations on "small scale". In absence of a theory that incorporates self interactive dark matter, it is possible to use the so-called Effective Field Theory (EFT) framework to investigate some aspects of dark matter. The use of effective field theory techniques to study the role of dark matter during the period of structure formation in the Universe has provided a powerful parametrization of the dark matter physics at short scales. Recently, some researchers have advocated the use of the latter approach to model the large scale structure as a fluid and considering gravity by incorporating systematically non linear terms in the theoretical treatment. In this work, we use some recent approaches [2, 12] to study analytically collisional dark matter in the form of self interactions. We derive generalized expressions of some of the equations presented in ref.[2], corresponding to corrections to the momentum equation and the effective energy equation, and discuss the implications for the behavior of dark matter and its effect on structure formation. In particular, we find that, by taking into account self interactions, some corrections terms appear both in the momentum and energy equations. These corrections arise from the non-linear effects that modify the standard equations. We show that these new terms can solve some of the small scale issues because the self interactive dark matter reduces the central densities of the galaxy dark matter halos.

Neste trabalho foi estudado como a materia escura pode ser capturada por corpos celestes e como a ela pode se comunicar com o Modelo Padrao atraves de sua aniquilacao em quarks e leptons. Os hadrons e leptons gerados podem decair em neutrinos que podem ser detectados por experimentos na Terra. Como tres tipos de neutrinos de autoestados de sabor ja foram observados experimentalmente e que diversos dados experimentais evidenciam oscilacao de sabor entre esses neutrinos, e preciso levar essa fenomenologia em consideracao ao estudar os neutrinos produzidos pela materia escura. O formalismo que permite considerar oscilacoes de neutrinos e ao mesmo tempo colisoes elasticas e inelasticas na materia e o formalismo de matriz densidade. Com ele estudamos o fluxo de muons gerados por neutrinos provenientes da aniquilacao da materia escura no interior do sol e como utilizar esse resultado para testes de modelos de particulas para materia escura. / In this work was studied how dark matter can be captured by celestial bodies and how it can communicate with the Standard Model through its annihilation in quarks and leptons. The hadrons and leptons generated can decay in to neutrinos which can be detected by experiments in Earth. As three types of neutrino flavor eigenstates have been observed experimentally and many experimental data have shown the flavor neutrino oscillate, it is necessary use this phenomenology when studying neutrinos produced by Dark Matter. The formalism that allows considering neutrino oscillations and, at same time, elastic and inelastic matter collisions is the density matrix formalism. With this formalism we studied the muons flux produced by neutrinos coming from dark matter annihilation inside the sun and how to use these results to test particle models for dark matter.

In this work we test a cosmological model with an interaction between dark energy and dark matter, where a tachyon scalar field plays the role of dark energy. With that in mind, we developed a numerical code that solves the background equations and extracts the cosmological parameters and we compared the results of the interacting tachyon model with those of other dark energy candidates. Our results show that the model indeed explains the observational data and has interesting cosmological properties, but might face challenges when compared to other dark energy candidates. / Neste trabalho testamos um modelo cosmológico com uma interação entre energia escura e matéria escura, onde um campo escalar taquiônico desempenha o papel da energia escura. Para isso, desenvolvemos um código computacional que resolve as equações numericamente e vincula os parâmetros cosmológicos e, assim, comparamos os resultados do modelo taquiônico interagente com os de outros candidatos à energia escura. Nossas análises mostram que o modelo, de fato, consegue explicar os dados observacionais, além de possuir propriedades cosmológicas interessantes, mas apresenta dificuldades quando comparado a outros modelos de energia escura.

Modern Cosmology offers us a great understanding of the universe with striking precision, made possible by the modern technologies of the newest generations of telescopes. The standard cosmological model, however, is not absent of theoretical problems and open questions. One possibility that has been put forward is the existence of a coupling between dark sectors. The idea of an interaction between the dark components could help physicists understand why we live in an epoch of the universe where dark matter and dark energy are comparable in terms of energy density, which can be regarded as a strange coincidence given that their time evolutions are completely different. Dark matter and dark energy are generally treated as perfect fluids. Interaction is introduced when we allow for a non-zero term in the right-hand side of their individual energy-momentum tensor conservation equations. We proceed with a phenomenological approach to test models of interaction with observations of redshift-space distortions. In a flat universe composed only of these two fluids, we consider separately two forms of interaction, through terms proportional to the densities of both dark energy and dark matter. An analytic expression for the growth rate approximated as f = Omega^gamma, where Omega is the percentage contribution from the dark matter to the energy content of the universe and gamma is the growth index, is derived in terms of the interaction strength and of other parameters of the model in the first case, while for the second model we show that a non-zero interaction cannot be accommodated by the index growth approximation. The successful expressions obtained are then used to compare the predictions with growth of structure observational data in a Markov Chain Monte Carlo code and we find that the current growth data alone cannot impose constraints on the interaction strength due to their large uncertainties. We also employ observations of galaxy clusters to assess their virial state via the modified Layzer-Irvine equation in order to detect signs of an interaction. We obtain measurements of observed virial ratios, interaction strength, rest virial ratio and departure from equilibrium for a set of clusters. A compounded analysis indicates an interaction strength of 0.29^{+2.25}_{-0.40}, compatible with no interaction, but a compounded rest virial ratio of 0.82^{+0.13}_{-0.14}, which means a 2 sigma confidence level detection. Despite this tension, the method produces encouraging results while still leaves room for improvement, possibly by removing the assumption of small departure from equilibrium. / A cosmologia moderna oferece um ótimo entendimento do universo com uma precisão impressionante, possibilitada pelas tecnologias modernas das gerações mais novas de telescópios. O modelo cosmológico padrão, porém, não é livre de problemas do ponto de vista teórico, deixando perguntas ainda sem respostas. Uma possibilidade que tem sido proposta é a existência de um acoplamento entre setores escuros. A ideia de uma interação entre os componentes escuros poderia ajudar os físicos a entender por que vivemos em uma época do universo na qual a matéria escura e a energia escura são comparáveis em termos de densidades de energia, o que pode ser considerado uma estranha coincidência dado que suas evoluções com o tempo são completamente diferentes. Matéria escura e energia escura são geralmente tratadas como fluidos perfeitos. A interação é introduzida ao permitirmos um tensor não nulo no lado direito das equações de conservação dos tensores de energia-momento. Prosseguimos com uma abordagem fenomenológica para testar modelos de interação com observações de distorções no espaço de redshift. Em um universo plano composto apenas por esses dois fluidos, consideramos, separadamente, duas formas de interação, através de termos proporcionais às densidades de energia escura e de matéria escura. Uma expressão analítica para a taxa de crescimento aproximada por f = Omega^gamma, onde Omega é a contribuição percentual da matéria escura para o conteúdo do universo e gamma é o índice de crescimento, é deduzida em termos da interação e de outros parâmetros do modelo no primeiro caso, enquanto para o segundo caso mostramos que uma interação não nula não pode ser acomodada pela aproximação do índice de crescimento. As expressões obtidas são então utilizadas para comparar as previsões com dados observacionais de crescimento de estruturas em um programa para Monte Carlo via cadeias de Markov. Concluímos que tais dados atuais por si só não são capazes de restringir a interação devido às suas grandes incertezas. Utilizamos também observações de aglomerados de galáxias para analisar seus estados viriais através da equação de Layzer-Irvine modificada a fim de detectar sinais de interação. Obtemos medições de taxas viriais observadas, constante de interação, taxa virial de equilíbrio e desvio do equilíbrio para um conjunto de aglomerados. Uma análise combinada indica uma constante de interação 0.29^{+2.25}_{-0.40}, compatível com zero, mas uma taxa virial de equilíbrio combinada de 0.82^{+0.13}_{-0.14}, o que significa uma detecção em um intervalo de confiança de 2 sigma. Apesar desta tensão, o método produz resultados encorajadores enquanto ainda permite melhorias, possivelmente pela remoção da suposição de pequenos desvios do equilíbrio.

Atualmente existem muitas evidências da presença de matéria escura no Universo. Estas motivaram a existência de vários experimentos para sua detecção. Entre os experimentos de detecção indireta de matéria escura, o PAMELA, o ATIC e o Fermi-LAT observaram recentemente excessos de elétrons e pósitrons no fluxo galáctico em relação ao esperado para estas partículas. Estes resultados podem ser explicados pela aniquilação de matéria escura com massas entorno a 1 TeV em nossa galáxia, com produção de léptons. No entanto, para tal, estas observações requerem um aumento na taxa de aniquilação relativa à esperada da produção térmica de matéria escura. Este aumento pode ser devido a existência de subestruturas de matéria escura no halo galáctico ou a mecanismos de interação, como o efeito Sommerfeld, que aumentam a seção de choque de aniquilação das partículas de matéria escura. Neste _ultimo caso, deve ocorrer também um aumento na taxa de neutrinos provenientes da aniquilação de matéria escura no núcleo da Terra. Neste trabalho, estimamos as taxas destes neutrinos e usamos os resultados finais do AMANDA-II e resultados recentes de IceCube para testar cenários genéricos que contemplam um aumento na seção de choque de aniquilação. Apresentamos os nossos resultados em função da seção de choque de interação da matéria escura com os núcleos multiplicada pela fração da aniquilação das partículas de matéria escura em neutrinos e, também em função de um fator genérico de boost que parametriza o aumento na seção de choque de aniquilação. Encontramos que modelos de matéria escura requerem fatores de boost da ordem O(100) ou mais e que se aniquilam significativamente em neutrinos são excluídos como explicação dos excessos leptônicos medidos. / Currently there are many evidences of the existence of dark matter in the Universe. These led to experimental dark matter searches and, among them, some indirect detection experiments, PAMELA, ATIC and Fermi-LAT, have recently observed excesses in the galactic flux of electrons and positrons relative to the expected flux of these particles. These results could be explained by dark matter, with masses of the order of 1 TeV, annihilating into leptons in our galaxy. However, in order for this to explain the mentioned excesses, it is required that the dark matter annihilation rate is greater than the implied rate assuming the expected dark matter thermal annihilation cross section. This greater rate could be due to the presence of dark matter substructures in the galactic halo or due to interaction mechanisms, such as the Sommerfeld effect, that enhance the dark matter annihilation cross section. In the latter case, an enhancement in the neutrino flux from annihilation of dark matter particles in the Earth nucleus should also occur. In this work, we use the final results of AMANDA-II and recent results of IceCube to probe generic enhancement scenarios. We present results as a function of the dark matternucleon interaction cross section weighted by the branching fraction into neutrinos, and as a function of a generic boost factor, which parametrizes the expected enhancement of the annihilation rate. We find that dark matter models that require boosts factors of O(100) or more and that annihilate mainly into neutrinos are excluded as a explanation for the observed leptonic excesses.

Cerca de 25% do conteúdo energético do universo se encontra sob uma forma de natureza ainda não determinada e é conhecida pelo nome de matéria escura. Desde as primeiras especulações acerca de sua existência (Zwicky ~ 1933), vários modelos foram propostos na tentativa de justificar os dados observacionais encontrados mas, até hoje, nenhum deles foi capaz de cumprir essa tarefa a contento. Nesta dissertação, apresentaremos uma breve discussão desses modelos, além de propor um novo, baseado na idéia de que tanto a matéria escura quanto a energia escura possam ser compostas pelo campo escalar de Born-Infeld. / Nearly twenty five percent of the energetic content of the universe appears in a form that is still unknown and is named dark matter. Since the first speculations about its existence (Zwicky ~1933), many models have been proposed trying to justify all the observed data but, until now, none of them has been able to solve this problem. In this monography, we will present a brief discussion about these models and propose a new one, based on the idea that both dark matter and dark energy could be the Born Infeld scalar field.

Uma série de observações advindas da medida da distância de supernovas tipo IA, idade das estrelas mais antigas, anisotropias da radiação cósmica de fundo, entre outras, evidenciam que o universo está passando por uma fase de expansão acelerada. Essa expansão está sendo causada por uma componente misteriosa denominada energia escura, que representa cerca de $70\\%$ do conteúdo total do universo, e cuja natureza é desconhecida. Para descrever a energia escura vários modelos têm sido propostos, entre eles, podemos destacar a energia do vácuo (constante cosmológica) e um campo escalar dinâmico (quintessência). Também são considerados modelos em que a energia escura interage com outro componente misterioso, a matéria escura. Existem vários testes observacionais para vincular os parâmetros desses modelos. Nesta dissertação, exploraremos um método baseado na idade de galáxias em altos redshifts e na idade do universo, conhecido em inglês como lookback time. / A number of observations arising from the measurement of distance of type IA Supernovae, age of oldest stars, anisotropy of cosmic microwave background, among others, show that the universe is undergoing a phase of accelerated expansion. This expansion is being caused by a mysterious component called dark energy, which represents about $70\\%$ of the total content of the universe, and whose nature is unknown. To describe the various dark energy models have been proposed, among them we highlight the vacuum energy (cosmological constant), and a dynamic scalar field (quintessence). Are also considered models in which dark energy interacts with another mysterious component, the dark matter. There are several observational tests to constraint the parameters of these models. In this dissertation, we explore a method based on age of galaxies at high redshift and the age of the universe, known as lookback time.

Orientador: Patricio Anibal Letelier Sotomayor / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-15T21:55:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vieira_RonaldoSavioliSume_M.pdf: 1240816 bytes, checksum: e8e9b8fff63d6b5f41f1556f2c3e8e57 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Neste trabalho fazemos um estudo de métricas lorentzianas e da teoria de conexões lineares em variedades diferenciáveis, focando em variedades de Weyl com métricas lorentzianas e conexões de Weyl. Também analisamos algumas teorias físicas baseadas nessa geometria, estendendo a essas teorias o modelo de Kuzmin para um disco fino de matéria. A partir desse estudo e do limite newtoniano das teorias, investigamos se esses resultados suprem a necessidade da presença de matéria escura em galáxias espirais para explicar as curvas de rotação observadas / Abstract: In this work we study Lorentzian metrics and the theory of linear connections on smooth manifolds, focusing on Weyl manifolds with lorentzian metrics and Weyl connections. We also analyze some physical theories based on this geometry, extending to these theories the Kuzmin model for a thin disk of matter. From this study and from the newtonian limit of the theories, we examine if these results supply the necessity of the presence of dark matter in spiral galaxies to explain the observed rotation curves / Mestrado / Geometria Diferencial/Gravitação / Mestre em Matemática

In this thesis we studied dark matter models with strong self-interactions, typically known as self-interacting dark matter (SIDM). This kind of models constitute a promising solution to the tension between small scale structure observations and predictions assuming the standard case of collisionless cold dark matter (CDM) while keeping the success of the standard cosmological model, LambdaCDM, at large scales. The presence of strong self-interactions can increase the dark matter capture and annihilation in astrophysical objects like our sun, enhancing the potential of indirect detection signals. We used the high energy neutrinos produced by such annihilations to probe SIDM models. We established strong constraints on SIDM with velocity independent cross section by comparing the expected neutrino signal with the results of the IceCube-79 dark matter search. Also, we determined the sensitivity for the IceCube-DeepCore and PINGU detectors for SIDM with a velocity dependent self-interacting cross section (vdSIDM). Most of its relevant parameter space can be tested with the three years of data already collected by IceCube-DeepCore, complementing results from direct detection experiments and other indirect detection studies. / Nesta tese investigamos modelos de matéria escura com auto-interações fortes, conhecidos tipicamente como matéria escura auto-interagente (SIDM). Este tipo de modelos constituem uma solução promissora à tensão entre as observações de estrutura a pequena escala e as previsões assumindo o caso padrão de matéria escura fria não colisional (CDM), enquanto se mantêm o sucesso do modelo cosmológico padrão, LambdaCDM, a grandes escalas. A presença de auto-interações fortes podem aumentar a captura e a aniquilação da matéria escura em objetos astrofísicos como o nosso sol, aumentando o potencial de sinais de detecção indireta. Usamos o sinal de neutrinos de alta energia produzidos por essas aniquilações para explorar modelos de SIDM. Estabelecemos fortes vínculos em modelos de SIDM com seção de auto-interação independente da velocidade comparando o sinal de neutrinos esperado com os resultados de busca de matéria escura do IceCube-79. Também, determinamos a sensibilidade dos detectores IceCube-DeepCore e PINGU para modelos de SIDM com uma seção de auto-interação dependente da velocidade (vdSIDM). A maior parte do espaço de parâmetros de interesse pode ser testado com os três anos de dados já coletados pelo IceCube-DeepCore, complementando os resultados de experimentos de detecção direta e outras an análises de detecção indireta.

Orientador: Pedro Cunha de Holanda / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-12T10:44:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Boriero_DanielFrancisco_M.pdf: 4969339 bytes, checksum: 948e129914cf07a208b25eb26a168a96 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Necessário na maioria das teorias para atribuir massa aos neutrinos e explicar o fenômeno de oscilação de sabores, o neutrino de mão direita, estéril em SU(2)L U(1)Y, é um candidato natural a matéria escura não bariônica. Cosmologicamente produzido via oscilação não ressonante de quiralidade do neutrino de mão esquerda e situado na categoria "Warm" de matéria escura, está atualmente desfavorecido como candidato a formar a totalidade da matéria escura. Apresentamos um cenário subdominante, no qual o neutrino estéril formaria apenas uma fração fs do total da matéria escura. Através da análise do sinal negativo do decaimento radiativo em raios-x difusos e ausência de supressão em estruturas de Lyman-a aplicadas na previsão de abundância gerada pelo modelo de massa n MSM, obtemos o limite de fs £ 0,65(2 s) em modelo cosmológico composto L (Ws +C)DM. Com esse resultado mostramos que o neutrino estéril ainda é um candidato viável para uma componente relativística da matéria escura, possível solução para o excesso de potência em pequena escala do modelo puramente "Cold". / Abstract: Needed in the most theories to confer mass to neutrinos and explain avour oscillations, the right-handed neutrino, sterile in SU(2)L U(1) Y , is a natural non-baryonic dark matter candidate. Cosmologicaly produced by non-resonant oscillattion with left-handed neutrinos and situated in the Warm regime, it's currently disfavored as composing the total dark matter. We present subdominant scenario where the sterile neutrino would compose only a fraction fs of the total dark matter, to constrain the model are utilized negative signals from diffuse X-Ray background and suppression from Lyman- a large scale structure applied to nMSM sterile neutrino theoretical production. We found the limit fs £ 0.65 (2 s) for a composed cosmological model L (Ws + C)DM. This result shows that the sterile neutrino is still a viable candidate for a relativistic component of dark matter and a possible solution to solve the excess power problem of the standard LCDM model in small scales. / Mestrado / Fisica das Particulas Elementares e Campos ; Cosmologia / Mestre em Física