Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία πραγματεύεται την εισαγωγή ενός νέου πεδίου πεμπτουσίας, η ενέργεια του οποίου ταυτίζεται με το ενεργειακό απόθεμα της σκοτεινής ενέργειας του σύμπαντος. Η εισαγωγή ενός τέτοιου πεδίου αποτελεί εναλλακτική λύση στην προσπάθεια ερμηνείας της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος που συνδέεται συνήθως με την κοσμολογική σταθερά Λ, των πεδιακών εξισώσεων Άινσταϊν. Παρότι έχουν προταθεί και άλλα μοντέλα πεδίων πεμπτουσίας, το συγκεκριμένο χαρακτηρίζεται από μία ιδιότητα που δεν επιτρέπει την εκτεταμένη παραβίαση της Αρχής της Ισοδυναμίας, που αποτελεί θεμελιώδη παραδοχή στην οποία στηρίζεται η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η μάζα των αντίστοιχων σωματιδίων εξαρτάται από την πυκνότητα ύλης σε κάθε περιοχή του σύμπαντος, εξ ου και το όνομα χαμαιλέοντες. Αφορμή για την εισαγωγή ενός τέτοιου πεδίου είναι η επιβεβαίωση της Αρχής της Ισοδυναμίας μέχρι κάποιο συγκεκριμένο όριο, πέραν του οποίου επιτρέπεται η εισαγωγή νέων μοντέλων αλληλεπιδράσεων που δεν έγιναν ακόμα αντιληπτές σε πληθώρα πειραμάτων. Όλα τα προηγούμενα αναφέρονται εν συντομία στο εισαγωγικό πρώτο κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση της Αρχής της Ισοδυναμίας και του βαθμού παραβίασης της ο οποίος καθορίζει την ένταση της νέας θεμελιώδους δύναμης (fifth-force). Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται μια ανασκόπηση του καθιερωμένου κοσμολογικού μοντέλου για το σύμπαν, που από παρατηρήσεις χαρακτηρίζεται από ομοιογένεια, ισοτροπία και σχεδόν επίπεδη γεωμετρία (WMAP-7). Με αυτά τα δεδομένα, καθώς και με τα πρόσφατα αποτελέσματα για ένα επιταχυνόμενα διαστελλόμενο σύμπαν προκύπτει η ανάγκη ύπαρξης ενός πεδίου με τα χαρακτηριστικά ενός σκοτεινού υγρού αρνητικής πίεσης και μάζας σε κοσμολογικές κλίμακες, της τάξης της σταθεράς Hubble στο παρόν (m_\phi\sim H_0\sim 10^{-33}eV). Η ανάγκη ύπαρξης ενός τέτοιου πεδίου (πάντα ως εναλλακτική της κοσμολογικής σταθεράς) παντού στο σύμπαν σε συνδυασμό με την μη ανίχνευση του μέχρι στιγμής σε κανένα πείραμα ή παρατήρηση, συνυπάρχουν στο μοντέλο των Khoury-Weltman για τα σωματίδια χαμαιλέοντες που εξετάζεται στο κεφάλαιο τέσσερα. Επειδή η μάζα του πεδίου εξαρτάται από την τοπική πυκνότητα ύλης, στη Γη η χαμαιλεοντική αλληλεπίδραση έχει πολύ μικρή εμβέλεια σε αντίθεση με την εμβέλεια σε κοσμολογικές κλίμακες και δεν γίνεται αντιληπτή. Επιπλέον η συνεισφορά στην αλληλεπίδραση σε ένα σώμα εκτός Γης από όλο τον όγκο της Γης είναι ελάχιστη και περιλαμβάνει μόνο αυτήν που προκαλείται από ένα λεπτό φλοιό στην επιφάνεια, όπου η τοπική πυκνότητα ύλης ελαττώνεται (thin-shell effect). Η νέα δύναμη το δυναμικό της οποίας είναι της μορφής Yukawa, θα είναι ασθενέστερη τουλάχιστον κατά τρεις τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με τη βαρύτητας πειράματα στη Γη. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση του CAST (Cern Solar Axion Telescope), στο οποίο θα μπορούσαν να ανιχνευτούν τα σωματίδια χαμαιλέοντες, λαμβάνοντας υπόψη την επέκταση του μοντέλου ώστε να περιλαμβάνει και ζεύξη με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο πέραν των πεδίων της ύλης. Οι χαμαιλέοντες που παράγονται από φωτόνια παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου στο θερμό πλάσμα του Ήλιου, φτάνουν στη Γη έχοντας ενέργεια της τάξης του 1keV και μπορούν να εισχωρήσουν στο εσωτερικό του μαγνήτη του CAST. Ο ισχυρός μαγνήτης του πειράματος που είναι ιδίου τύπου με αυτούς που απαρτίζουν τον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC), δημιουργεί μαγνητικό πεδίο της τάξης των 9Τ. Στο εσωτερικό του, οι χαμαιλέοντες θα μπορούσαν να επαναμετατραπούν σε φωτόνια και να ταυτοποιηθούν. Επιπλέον, ένα μικρό ποσοστό των χαμαιλεόντων που αφήνουν την επιφάνεια του Ήλιου μπορούν να μετατραπούν πίσω σε φωτόνια εξαιτίας των μαγνητικών πεδίων πάνω από τη φωτόσφαιρα. Αυτά τα φωτόνια θα έχουν φάσμα ενέργειας που κορυφώνεται στην περιοχή των μαλακών ακτίνων-Χ, οπότε θα δίνουν λύση στο πρόβλημα θέρμανσης του ηλιακού στέμματος (solar corona problem). / In the present Thesis, we review the chameleon field model and its discovery potential at CAST (Cern Axion Solar Telescope). The introduction of this new scalar field, of the so called quintessence type, is an alternative way of modeling the ubiquitous dark energy in the Universe, which drives its accelerated expansion. Moreover, the coupling of chameleons to photons enriches their discovery potential by experiments already operating such as CAST. Due to the fact that the mass of the field depends on the local matter density, in a dense environment such as the earth's surface the chameleon particle becomes heavy and undetectable. On the contrary, in cosmological scales the mass of the field is reduced to values related to the present Hubble's constant value (m_\phi\sim H_0\sim 10^{-33}eV) in order to coincide with the dark energy budget. This Thesis is organized in five chapters. The first chapter serves as a quick introduction to the subject of the current Thesis and the reasons for introducing a new field are stated. The second chapter refers to the Principle of Equivalence (E.P), a foundational principle of Einstein's General Relativity. It states that the gravitational mass of a freely falling body is proportional to its inertial mass. The level of verification of the former principle is of crucial importance for the characteristics of a quintessence field. If the E.P is not valid below a certain length scale, then the introduction of a quintessence field also implies the excistence of a new fundamental force in nature (fifth-force). In the third chapter, a small review of the standard cosmological model is made, which in combination with the results for an accelerated universe, leads to the necessity of introducing a new form of energy, dark energy. This form of energy behaves like a dark fluid of negative pressure (repulsive force) that tends to expand spacetime. It is modeled by adding the cosmological constant Λ, in Einstein's field equations or by introducing quintessence fields as the case of this Thesis. As already mentioned, the excistence of a quintessence field yields to violation of the Equivalence Principle. To overcome an extensive violation of the E.P the chameleon model is ``equipped'' by the peculiar property of its mass dependance on the environmental density. A second phenomenon related to the former property and the suppression of the E.P violation, is the ``Thin Shell Effect''. It simply states that the chameleonic profile of a large object is suppresed inside its bulk, and only a thin shell near its surface produces the chameleon force which is exerted on other massive bodies. This effect interprets the weakness and to date not discovered possible fifth-force. The fourth chapter ends up with a discussion on the fifth-force mediated by the chameleon particle. It is estimated that if such force exists, is about 3 orders-of-magnitude weaker than gravity. In the final chapter of this Thesis, the CAST experiment is presented. CAST has been operating for over ten years, searching for axions emitted by the Sun. It is believed that photons can oscillate to chameleons in the presence of a strong magnetic field in the Sun, travel through space and reach the Earth's surface where they can reconvert to photons inside the helioscope's pipe. The spectrum of the chameleons reaching the Earth is peaked at sub-keV region. Furthermore a small part of the chameleons leaving the Sun are converted back to photons over the photosphere due to the magnetic fields present there. These photons have energy lying in the soft X-ray region, hence addressing the solar corona problem.

Ένα από τα μεγαλύτερα θεωρητικά κατασκευάσματα της φυσικής είναι αυτό της σκοτεινής ύλης. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία αναλύονται οι λόγοι για τους οποίους πιστεύουμε στην ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, τα σωματίδια και γενικά τα αντικείμενα που μπορεί να την απαρτίζουν, η σκοτεινή ενέργεια και οι μορφές της και τέλος εναλλακτικές προτάσεις. / One of the most important theoretical creations of physics is dark matter. In this master thesis we describe the reasons we believe in the existence of dark matter, the particles and the objects that consists dark matter, dark energy and finally alternative theories.