Master of Science / Department of Physics / Bharat Ratra / Recent observations in cosmology suggest that the universe is undergoing accelerating expansion. Mysterious component responsible for acceleration is called "Dark Energy" contributing to 70% of total energy density of the universe. Simplest DE model is [Lambda]CDM, where Einstein’s cosmological constant plays role of the dark energy. Despite the fact that it is consistent with observational data, it leaves some important theoretical questions unanswered. To overcome these difficulties different Dark energy models are proposed. Two of these models XCDM parametrization and slow rolling scalar field model [phi]CDM, along with "standard" [Lambda]CDM are disscussed here, constraining their parameter set. In this thesis we start with a general theoretical overview of basic ideas and distance measures in cosmology. In the following chapters we use H II starburst galaxy apparent magnitude versus redshift data from Siegel et al.(2005) to constrain DE model parameters. These constraints are generally consistent with those derived using other data sets, but are not as restrictive as the tightest currently available constraints. Also we constrain above mentioned cosmological models in light of 32 age measurements of passively evolving galaxies as a function of redshift and recent estimates of the product of the cosmic microwave background acoustic scale and the baryon acoustic oscillation peak scale.

The standard model of particle physics is the most precisely verified scientific theory in the history of mankind. However, extended theories are already in place, ready to supersede the standard model should it fail to describe any new physics that may be observed in the next generation of high energy particle accelerators. One such minimal extension is the Two Higgs Doublet Model (2HDM). However, the appearance of additional symmetries to those of the gauge symmetries in the 2HDM can have consequences for the cosmological viability of the model, with the possibility for non-trivial topological defects forming during spontaneous symmetry breaking phase transitions.In this research we perform a systematic study of six accidental Higgs Family and CP symmetries that can occur in the 2HDM potential, by introducing and utilizing our Majorana scalar-field formalism. General sufficient conditions for convexity and stability of the scalar potential are derived and analytical solutions for two non-zero neutral vacuum expectation values of the Higgs doublets for each of the six symmetries are presented, in terms of the parameters of the theory. We identify the topological defects associated with the spontaneous symmetry breaking of each symmetry by means of a homotopy-group analysis. We find the existence of domain walls from the breaking of Z2, CP1 and CP2 discrete symmetries, vortices in models with broken U(1)PQ and CP3 symmetries and a global monopole in the SO(3)HF-broken model. We study the associated topological defect solutions as functions of the potential parameters via gradient flow methods. We also consider the cosmological implications of the topological defects and are able to derive bounds on physical observables of the theory in order to avoid contradictions with the theoretical limits on topological defects. The application of our Majorana scalar-field formalism in studying more general scalar potentials that are not constrained by the U(1)Y hypercharge symmetry is discussed. In particular, the formalism may be used to properly identify seven previously hidden symmetries that may be manifest in a U(1)Y invariant scalar potential for particular choices of the model parameters.

Aglomerados de galáxias são as maiores estruturas no Universo. Sua distribuição mapeia os halos de matéria escura formados nos potenciais profundos do campo de matéria escura. Consequentemente, a abundância de aglomerados é altamente sensível a expansão do Universo, assim como ao crescimento das perturbações de matéria escura, constituindo uma poderosa ferramenta para fins cosmológicos. Na era atual de grandes levantamentos observacionais que produzem uma quantidade gigantesca de dados, as propriedades estatísticas dos objetos observados (galáxias, aglomerados, supernovas, quasares, etc) podem ser usadas para extrair informações cosmológicas. Para isso, é necessária o estudo da formação de halos de matéria escura, da detecção dos halos e aglomerados, das ferramentas estatísticas usadas para o vínculos de parâmetros, e finalmente, dos efeitos da detecções ópticas. No contexto da formulação da predição teórica da contagem de halos, foi analisada a influência de cada parâmetro cosmológico na abundância dos halos, a importância do uso da covariância dos halos, e a eficácia da utilização dos halos para vincular cosmologia. Também foi analisado em detalhes os intervalos de redshift e o uso de conhecimento prévio dos parâmetros ({\\it priors}). A predição teórica foi testada um uma simulação de matéria escura, onde a cosmologia era conhecida e os halos de matéria escura já haviam sido detectados. Nessa análise, foi atestado que é possível obter bons vínculos cosmológicos para alguns parâmetros (Omega_m,w,sigma_8,n_s), enquanto outros parâmetros (h,Omega_b) necessitavam de conhecimento prévio de outros testes cosmológicos. Na seção dos métodos estatísticos, foram discutidos os conceitos de {\\it likelihood}, {\\it priors} e {\\it posterior distribution}. O formalismo da Matriz de Fisher, bem como sua aplicação em aglomerados de galáxias, foi apresentado e usado para a realização de predições dos vínculos em levantamentos atuais e futuros. Para a análise de dados, foram apresentados métodos de Cadeias de Markov de Monte Carlo (MCMC), que diferentemente da Matriz de Fisher não assumem Gaussianidade entre os parâmetros vinculados, porém possuem um custo computacional muito mais alto. Os efeitos observacionais também foram estudados em detalhes. Usando uma abordagem com a Matriz de Fisher, os efeitos de completeza e pureza foram extensivamente explorados. Como resultado, foi determinado em quais casos é vantajoso incluir uma modelagem adicional para que o limite mínimo de massa possa ser diminuído. Um dos principais resultados foi o fato que a inclusão dos efeitos de completeza e pureza na modelagem não degradam os vínculos de energia escura, se alguns outros efeitos já estão sendo incluídos. Também foi verificados que o uso de priors nos parâmetros não cosmológicos só afetam os vínculos de energia escura se forem melhores que 1\\%. O cluster finder(código para detecção de aglomerados) WaZp foi usado na simulação, produzindo um catálogo de aglomerados. Comparando-se esse catálogo com os halos de matéria escura da simulação, foi possível investigar e medir os efeitos observacionais. A partir dessas medidas, pôde-se incluir correções para a predição da abundância de aglomerados, que resultou em boa concordância com os aglomerados detectados. Os resultados a as ferramentas desenvolvidos ao longo desta tese podem fornecer um a estrutura para a análise de aglomerados com fins cosmológicos. Durante esse trabalho, diversos códigos foram desenvolvidos, dentre eles, estão um código eficiente para computar a predição teórica da abundância e covariância de halos de matéria escura, um código para estimar a abundância e covariância dos aglomerados de galáxias incluindo os efeitos observacionais, e um código para comparar diferentes catálogos de halos e aglomerados. Esse último foi integrado ao portal científico do Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA) e está sendo usado para avaliar a qualidade de catálogos de aglomerados produzidos pela colaboração do Dark Energy Survey (DES), assim como também será usado em levantamentos futuros. / Abstract Galaxy clusters are the largest bound structures of the Universe. Their distribution maps the dark matter halos formed in the deep potential wells of the dark matter field. As a result, the abundance of galaxy clusters is highly sensitive to the expansion of the universe as well as the growth of dark matter perturbations, representing a powerful tool for cosmological purposes. In the current era of large scale surveys with enormous volumes of data, the statistical quantities from the objects surveyed (galaxies, clusters, supernovae, quasars, etc) can be used to extract cosmological information. The main goal of this thesis is to explore the potential use of galaxy clusters for constraining cosmology. To that end, we study the halo formation theory, the detection of halos and clusters, the statistical tools required to quarry cosmological information from detected clusters and finally the effects of optical detection. In the composition of the theoretical prediction for the halo number counts, we analyze how each cosmological parameter of interest affects the halo abundance, the importance of the use of the halo covariance, and the effectiveness of halos on cosmological constraints. The redshift range and the use of prior knowledge of parameters are also investigated in detail. The theoretical prediction is tested on a dark matter simulation, where the cosmology is known and a dark matter halo catalog is available. In the analysis of the simulation we find that it is possible to obtain good constraints for some parameters such as (Omega_m,w,sigma_8,n_s) while other parameters (h,Omega_b) require external priors from different cosmological probes. In the statistical methods, we discuss the concept of likelihood, priors and the posterior distribution. The Fisher Matrix formalism and its application on galaxy clusters is presented, and used for making forecasts of ongoing and future surveys. For the real analysis of data we introduce Monte Carlo Markov Chain (MCMC) methods, which do not assume Gaussianity of the parameters distribution, but have a much higher computational cost relative to the Fisher Matrix. The observational effects are studied in detail. Using the Fisher Matrix approach, we carefully explore the effects of completeness and purity. We find in which cases it is worth to include extra parameters in order to lower the mass threshold. An interesting finding is the fact that including completeness and purity parameters along with cosmological parameters does not degrade dark energy constraints if other observational effects are already being considered. The use of priors on nuisance parameters does not seem to affect the dark energy constraints, unless these priors are better than 1\\%.The WaZp cluster finder was run on a cosmological simulation, producing a cluster catalog. Comparing the detected galaxy clusters to the dark matter halos, the observational effects were investigated and measured. Using these measurements, we were able to include corrections for the prediction of cluster counts, resulting in a good agreement with the detected cluster abundance. The results and tools developed in this thesis can provide a framework for the analysis of galaxy clusters for cosmological purposes. Several codes were created and tested along this work, among them are an efficient code to compute theoretical predictions of halo abundance and covariance, a code to estimate the abundance and covariance of galaxy clusters including multiple observational effects and a pipeline to match and compare halo/cluster catalogs. This pipeline has been integrated to the Science Portal of the Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA) and is being used to automatically assess the quality of cluster catalogs produced by the Dark Energy Survey (DES) collaboration and will be used in other future surveys.

Aglomerados de galáxias são as maiores estruturas no Universo. Sua distribuição mapeia os halos de matéria escura formados nos potenciais profundos do campo de matéria escura. Consequentemente, a abundância de aglomerados é altamente sensível a expansão do Universo, assim como ao crescimento das perturbações de matéria escura, constituindo uma poderosa ferramenta para fins cosmológicos. Na era atual de grandes levantamentos observacionais que produzem uma quantidade gigantesca de dados, as propriedades estatísticas dos objetos observados (galáxias, aglomerados, supernovas, quasares, etc) podem ser usadas para extrair informações cosmológicas. Para isso, é necessária o estudo da formação de halos de matéria escura, da detecção dos halos e aglomerados, das ferramentas estatísticas usadas para o vínculos de parâmetros, e finalmente, dos efeitos da detecções ópticas. No contexto da formulação da predição teórica da contagem de halos, foi analisada a influência de cada parâmetro cosmológico na abundância dos halos, a importância do uso da covariância dos halos, e a eficácia da utilização dos halos para vincular cosmologia. Também foi analisado em detalhes os intervalos de redshift e o uso de conhecimento prévio dos parâmetros ({\\it priors}). A predição teórica foi testada um uma simulação de matéria escura, onde a cosmologia era conhecida e os halos de matéria escura já haviam sido detectados. Nessa análise, foi atestado que é possível obter bons vínculos cosmológicos para alguns parâmetros (Omega_m,w,sigma_8,n_s), enquanto outros parâmetros (h,Omega_b) necessitavam de conhecimento prévio de outros testes cosmológicos. Na seção dos métodos estatísticos, foram discutidos os conceitos de {\\it likelihood}, {\\it priors} e {\\it posterior distribution}. O formalismo da Matriz de Fisher, bem como sua aplicação em aglomerados de galáxias, foi apresentado e usado para a realização de predições dos vínculos em levantamentos atuais e futuros. Para a análise de dados, foram apresentados métodos de Cadeias de Markov de Monte Carlo (MCMC), que diferentemente da Matriz de Fisher não assumem Gaussianidade entre os parâmetros vinculados, porém possuem um custo computacional muito mais alto. Os efeitos observacionais também foram estudados em detalhes. Usando uma abordagem com a Matriz de Fisher, os efeitos de completeza e pureza foram extensivamente explorados. Como resultado, foi determinado em quais casos é vantajoso incluir uma modelagem adicional para que o limite mínimo de massa possa ser diminuído. Um dos principais resultados foi o fato que a inclusão dos efeitos de completeza e pureza na modelagem não degradam os vínculos de energia escura, se alguns outros efeitos já estão sendo incluídos. Também foi verificados que o uso de priors nos parâmetros não cosmológicos só afetam os vínculos de energia escura se forem melhores que 1\\%. O cluster finder(código para detecção de aglomerados) WaZp foi usado na simulação, produzindo um catálogo de aglomerados. Comparando-se esse catálogo com os halos de matéria escura da simulação, foi possível investigar e medir os efeitos observacionais. A partir dessas medidas, pôde-se incluir correções para a predição da abundância de aglomerados, que resultou em boa concordância com os aglomerados detectados. Os resultados a as ferramentas desenvolvidos ao longo desta tese podem fornecer um a estrutura para a análise de aglomerados com fins cosmológicos. Durante esse trabalho, diversos códigos foram desenvolvidos, dentre eles, estão um código eficiente para computar a predição teórica da abundância e covariância de halos de matéria escura, um código para estimar a abundância e covariância dos aglomerados de galáxias incluindo os efeitos observacionais, e um código para comparar diferentes catálogos de halos e aglomerados. Esse último foi integrado ao portal científico do Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA) e está sendo usado para avaliar a qualidade de catálogos de aglomerados produzidos pela colaboração do Dark Energy Survey (DES), assim como também será usado em levantamentos futuros. / Abstract Galaxy clusters are the largest bound structures of the Universe. Their distribution maps the dark matter halos formed in the deep potential wells of the dark matter field. As a result, the abundance of galaxy clusters is highly sensitive to the expansion of the universe as well as the growth of dark matter perturbations, representing a powerful tool for cosmological purposes. In the current era of large scale surveys with enormous volumes of data, the statistical quantities from the objects surveyed (galaxies, clusters, supernovae, quasars, etc) can be used to extract cosmological information. The main goal of this thesis is to explore the potential use of galaxy clusters for constraining cosmology. To that end, we study the halo formation theory, the detection of halos and clusters, the statistical tools required to quarry cosmological information from detected clusters and finally the effects of optical detection. In the composition of the theoretical prediction for the halo number counts, we analyze how each cosmological parameter of interest affects the halo abundance, the importance of the use of the halo covariance, and the effectiveness of halos on cosmological constraints. The redshift range and the use of prior knowledge of parameters are also investigated in detail. The theoretical prediction is tested on a dark matter simulation, where the cosmology is known and a dark matter halo catalog is available. In the analysis of the simulation we find that it is possible to obtain good constraints for some parameters such as (Omega_m,w,sigma_8,n_s) while other parameters (h,Omega_b) require external priors from different cosmological probes. In the statistical methods, we discuss the concept of likelihood, priors and the posterior distribution. The Fisher Matrix formalism and its application on galaxy clusters is presented, and used for making forecasts of ongoing and future surveys. For the real analysis of data we introduce Monte Carlo Markov Chain (MCMC) methods, which do not assume Gaussianity of the parameters distribution, but have a much higher computational cost relative to the Fisher Matrix. The observational effects are studied in detail. Using the Fisher Matrix approach, we carefully explore the effects of completeness and purity. We find in which cases it is worth to include extra parameters in order to lower the mass threshold. An interesting finding is the fact that including completeness and purity parameters along with cosmological parameters does not degrade dark energy constraints if other observational effects are already being considered. The use of priors on nuisance parameters does not seem to affect the dark energy constraints, unless these priors are better than 1\\%.The WaZp cluster finder was run on a cosmological simulation, producing a cluster catalog. Comparing the detected galaxy clusters to the dark matter halos, the observational effects were investigated and measured. Using these measurements, we were able to include corrections for the prediction of cluster counts, resulting in a good agreement with the detected cluster abundance. The results and tools developed in this thesis can provide a framework for the analysis of galaxy clusters for cosmological purposes. Several codes were created and tested along this work, among them are an efficient code to compute theoretical predictions of halo abundance and covariance, a code to estimate the abundance and covariance of galaxy clusters including multiple observational effects and a pipeline to match and compare halo/cluster catalogs. This pipeline has been integrated to the Science Portal of the Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA) and is being used to automatically assess the quality of cluster catalogs produced by the Dark Energy Survey (DES) collaboration and will be used in other future surveys.