Orientadores: Alberto Vazquez Saa, Marcelo Moraes Guzzo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T01:44:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Froes_AndreLuisDelvas_D.pdf: 13866800 bytes, checksum: 096d2e613867ddb45ba06cca87c00dec (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Na presente tese, após revisão do estado da arte da cosmologia observacional, dos modelos de blindagem cosmológica para campos escalares e de modelos vetoriais para energia escura, foi apresentada a pesquisa original do projeto. Ela consistiu na elaboração do primeiro modelo de blindagem cosmológico aplicável a campos vetoriais, por meio de uma modificação conforme na Relatividade Geral, dependente do módulo do campo. Nos meios onde a densidade é elevada, o campo vetorial oscila em torno de zero, enquanto em meios de baixa densidade ele possui um valor não nulo. Como resultado, o campo vetorial não afeta a evolução no Universo primordial nem gera uma quinta força ou modificações detectáveis na gravitação local. O mecanismo também pode ser utilizado para esconder violações de Lorentz em pequenas escalas. A evolução cosmológica do modelo é estudada em detalhes / Abstract: In this thesis, after a review on the state of the art on observational cosmology, screening mechanisms for scalar fields and vector field models for dark energy, the original research of this project is presented. It consisted in the creation of the first screening mechanism for vector fields, by means of a conformal modification of General Relativity, dependent on the norm of the field. In high density environments, the vector field oscillates around zero, while in low density environments it has a non-null value. As a result, the vector field doesn\'t affect the evolution in the early Universe, nor generates a fifth force or detectable modifications in local gravity. The mechanism can be used as well to hide Lorentz violations in small scales. The cosmological evolution is studied in detail / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Nesta dissertação nós propomos uma nova cosmologia relativística acelerada cujo conteúdo material é composto apenas por bárions e matéria escura fria. A não existência de uma componente de energia escura implica que nosso cenário é baseado numa redução do chamado setor escuro do universo. Neste modelo, o presente estágio acelerado é determinado pela pressão negativa descrevendo a produção de partículas de matéria escura fria induzida pelo campo gravitacional variável do universo. Para um universo espacialmente plano ($\\Omega _ + \\Omega _b = 1$), como previsto pela inflação, este tipo de cenário possui somente um parâmetro livre e a equação diferencial governando a evolução do fator de escala é exatamente a mesma do modelo $\\Lambda$CDM. Neste caso, encontramos que o parâmetro efetivo de densidade de matéria é $\\Omega_= 1 - \\alpha$, onde $\\alpha$ é um par\\^metro constante ligado à taxa de criação de matéria escura fria. Aplicando um teste estatístico $\\chi^2$ para os dados de Supernovas do tipo Ia (Union Sample 2008), limitamos os par\\^metros livres do modelo nos casos espacialmente plano e com curvatura. Em particular, encontramos que para o caso plano $\\alpha \\sim 0.71$, de forma que $\\Omega_ \\sim 0.29$, como tem sido inferido independentemente por lentes gravitacionais fracas, estrutura de grande escala, radiação cósmica de fundo e outras observações complementares. / In this dissertation we propose a new accelerating relativistic cosmology whose matter content is composed only by baryons and cold dark matter. The nonexistence of a dark energy component implies that our scenario is based on a reduction of the so-called dark sector of the Universe. The present accelerating stage in this model is powered by the negative pressure des\\-cribing the cold dark matter particle production induced by the variable gravitational field of the Universe. For a spatially flat universe ($\\Omega _ + \\Omega _b = 1$), as predicted by inflation, this kind of scenario has only one free parameter and the differential equation governing the evolution of the scale factor is exactly the same of the $\\Lambda$CDM model. In this case, we find that the effectively observed matter density parameter is $\\Omega_ = 1 - \\alpha$, where $\\alpha$ is a constant parameter related to the cold dark matter creation rate. By applying a $\\chi^2$ statistical test for Supernovae type Ia data (Union Sample 2008), we constrain the free parameters of the model for spatially flat and curved cases. In particular, to the flat case we find $\\alpha \\sim 0.71$, so that $\\Omega_ \\sim 0.29$, as independently inferred from weak gravitational lensing, large scale structure, cosmic background radiation, and other complementary observations.

Nós investigamos o raio de turnaround, a distância do centro da estrutura cósmica até a casca que está se descolando do fluxo de Hubble em um dado tempo, no contexto do modelo de colapso esférico, tanto em Relatividade Geral e em Gravidade Modificada, em particular no cenário f(R) chamado de modelo de Hu-Sawicki. O próximo passo foi investigar a relação entre este raio e a massa de virial de estruturas cósmicas no contexto do modelo LCDM e no modelo f(R) de gravidade modificada. / We investigate the turnaround radius, the distance from the center of the cosmic structure to the shell that is detaching from the Hubble flow at a given time, in the context of the spherical collapse model, both in General Relativity and in modified gravity, in particular f(R) scenarios -- namely the Hu-Sawicki model. The next step was to investigate the relationship between that radius and the virial mass of cosmic structures in the context of LCDM model and in an f(R) model of modified gravity.

Late-time cosmic acceleration is one of the most interesting unsolved puzzles in modern cosmology. The explanation most accepted nowadays, dark energy, raises questions about its own nature, e.g. what exactly is dark energy, and implications to the observations, e.g. how to handle fine tuning problem and coincidence problem. Hence, dark energy evolution through cosmic history, together with its equation of state, are subjects of research in many current experiments. In this dissertation, using Markov Chain Monte Carlo sampling, we try to constrain the evolution of the dark energy equation of state in a nearly model-independent approach by combining different datasets coming from observations of baryon acoustic oscillations, cosmic chronometers, cosmic microwave background anisotropies and type Ia supernovae. We found no strong evidence that could indicate deviations from LCDM model, which is the standard model in cosmology accepted today. / A aceleração cósmica atual é um dos mais interessantes enigmas não resolvidos da cosmologia moderna. A explicação mais aceita hoje em dia, a energia escura, levanta questões acerca de sua própria natureza, como o que é exatamente a energia escura, e as implicações para as observações, por exemplo como lidar com o problema do ajuste fino e o problema da coincidência. Por isso, a evolução da energia escura durante a história cósmica, juntamente com sua equação de estado, são objetos de pesquisa em inúmeros experimentos atuais. Nesta dissertação, usando amostragem por cadeias de Markov de Monte Carlo, tentamos restringir a evolução da equação de estado da energia escura em uma abordagem quase independente de modelo ao combinar diferentes conjuntos de dados provenientes de observações de oscilações acústicas de bárions, cronômetros cósmicos, anisotropias da radiação cósmica de fundo e supernovas tipo Ia. Não encontramos evidências fortes que pudessem indicar desvios do modelo LCDM, o qual é o modelo padrão aceito hoje na cosmologia.

Nós investigamos o raio de turnaround, a distância do centro da estrutura cósmica até a casca que está se descolando do fluxo de Hubble em um dado tempo, no contexto do modelo de colapso esférico, tanto em Relatividade Geral e em Gravidade Modificada, em particular no cenário f(R) chamado de modelo de Hu-Sawicki. O próximo passo foi investigar a relação entre este raio e a massa de virial de estruturas cósmicas no contexto do modelo LCDM e no modelo f(R) de gravidade modificada. / We investigate the turnaround radius, the distance from the center of the cosmic structure to the shell that is detaching from the Hubble flow at a given time, in the context of the spherical collapse model, both in General Relativity and in modified gravity, in particular f(R) scenarios -- namely the Hu-Sawicki model. The next step was to investigate the relationship between that radius and the virial mass of cosmic structures in the context of LCDM model and in an f(R) model of modified gravity.

O impacto que estruturas algébricas podem exercer em teorias físicas e bem ilustrado pela Mecânica Quântica, onde os números complexos são inquestionavelmente a escolha mais adequada para desenvolver a teoria. A Relatividade Geral pseudo-complexa avalia a possibilidade da interação gravitacional assumir sua descrição mais natural quando construída tendo como base os números pseudo-complexos, que consistem em uma das três possibilidades de números complexos abelianos com uma unica unidade imaginária. Esse conjunto numérico e dotado de elementos não nulos cujo produto e zero, tais números recebem o nome de zeros generalizados ou divisores de zero. A presença de zeros generalizados permite a introdução de um princípio variacional modificado do qual um termo adicional, ausente na Relatividade Geral, emerge nas equações de campo. Esse termo adicional e interpretado como uma energia escura, cuja origem física está relacionada com flutuações no vácuo. A inclusão desse efeito e legítima pois flutuações no vácuo a priori devem gravitar como qualquer outra forma de energia. Das equações de campo podemos resumir a principal ideia conceitual da teoria, na Relatividade Geral pseudo-complexa massa não apenas curva o espaçotempo como também e capaz de alterar a estrutura do espaço-tempo ao redor da massa. As diferenças com relação a Relatividade Geral se manifestam em situações físicas extremas, no regime de campos gravitacionais intensos. Como aplicação analisamos sob o ponto de vista teórico um objeto compacto exótico composto por matéria escura fermiônica. / The impact that algebraic structures can exert on physical theories is well illustrated by Quantum Mechanics, where complex numbers are unquestionably the most appropriate choice to develop the theory. Pseudo-complex General Relativity evaluates the possibility that the gravitational interaction acquires its most natural description when constructed upon pseudo-complex numbers, which consist of one of the three possibilities of abelian complex numbers with a single imaginary unit. This numerical set is endowed with nonzero elements whose product is zero, such numbers are called generalized zeros or divisors of zero. The presence of generalized zeros allows the introduction of a modi ed variational principle from which an additional term, absent in General Relativity, emerges in the eld equations. This additional term is interpreted as a dark energy, whose physical origin is related to vacuum uctuations. The inclusion of this e ect is legitimate because a priori vacuum uctuations must gravitate as any other form of energy. From the eld equations we can summarize the main conceptual idea of the theory, in pseudo-complex General Relativity mass not only curves spacetime but also is able to change the structure of the spacetime around the mass. The di erences with respect to General Relativity are manifested in extreme physical situations in the regime of intense gravitational elds. As an application we analyze from the theoretical point of view an exotic compact object composed of fermionic dark matter.

O lado escuro do universo é misterioso e sua natureza é ainda desconhecida. De fato, isto talvez constitua o maior desafio da cosmologia moderna. As duas com- ponentes do setor escuro (mat´ eria escura e energia escura) correspondem hoje a cerca de noventa e cinco por cento do universo. O candidato mais simples para a energia energia é uma constante cosmológica. Contudo, esta tentativa apresenta uma enorme discrepância de 120 ordens de magnitude entre a predição teórica e os dados observados. Tal disparidade motiva os físicos a investigar modelos mais sofisticados. Isto pode ser feito tanto buscando um entendimento mais profundo de onde a constante cosmológica vem, se deseja-se derivá-la de primeiros princípios, quanto considerando outras possibilidades para a expansão acelerada, tais como modificações da relatividade geral, campos de matéria adi- cionais e assim por diante. Ainda considerando uma energia escura dinâmica, pode existir a possibilidade de interação entre energia e matéria escuras, uma vez que suas densidades são comparáveis e, dependendo do acoplamento usado, a interação pode também aliviar a questão de porquê as densidades de matéria e energia escura são da mesma ordem hoje. Modelos fenomenológicos tem sido amplamente estudados na literatura. Por outro lado, modelos de teoria de cam- pos que visam uma descrição consistente da interação energia escura/matéria escura ainda são poucos. Nesta tese, nós exploramos como candidato à energia escura um campo escalar ou vetorial em várias abordagens diferentes, levando em conta uma possível interação entre as duas componentes do setor escuro. A tese é dividida em três partes, que podem ser lidas independentemente. Na primeira parte, nós analisamos o comportamento asintótico de alguns modelos cosmológicos usando campos escalares ou vetorial como candidatos para a energia escura, à luz da teoria de sistemas dinâmicos. Na segunda parte, nós usamos um campo escalar em supergravidade para construir um modelo de energia escura dinâmico e também para incorporar um modelo de energia escura holográfica em supergravidade mínima. Finalmente, na terceira parte, nós propomos um modelo de energia escura metaestável, no qual a energia escura é um campo escalar com um potencial dado pela soma de auto-interações pares até ordem seis. Nós inserimos a energia escura metaestável em um modelo SU(2)R escuro, onde o dubleto de energia escura e o dubleto de matéria escura interagem nat- uramente. Tal interação abre uma nova janela para investigar o setor escuro do ponto-de-vista de física de partículas. Esta tese é baseada nos seguintes artigos, disponíveis também no arXiv: 1611.00428, 1605.03550, 1509.04980, 1508.07248, 1507.00902 e 1505.03243. O autor também colaborou nos trabalhos: 1607.03506 e 1605.05264. / The dark side of the universe is mysterious and its nature is still unknown. In fact, this poses perhaps as the biggest challenge in the modern cosmology. The two components of the dark sector (dark matter and dark energy) correspond today to around ninety five percent of the universe. The simplest dark energy candidate is a cosmological constant. However, this attempt presents a huge discrepancy of 120 orders of magnitude between the theoretical prediction and the observed data. Such a huge disparity motivates physicists to look into a more sophisticated models. This can be done either looking for a deeper understanding of where the cosmological constant comes from, if one wants to derive it from first principles, or considering other possibilities for accelerated expansion, such as modifications of general relativity, additional matter fields and so on. Still regarding a dynamical dark energy, there may exist a possibility of interaction between dark energy and dark matter, since their densities are comparable and, depending on the coupling used, the interaction can also alleviate the issue of why dark energy and matter densities are of the same order today. Phenomenological models have been widely explored in the literature. On the other hand, field theory models that aim a consistent description of the dark energy/dark matter interaction are still few. In this thesis, we explore either a scalar or a vector field as a dark energy candidate in several different approaches, taking into account a possible interaction between the two components of the dark sector. The thesis is divided in three parts, which can be read independently of each other. In the first part, we analyze the asymptotic behavior of some cosmological models using either scalar or vector fields as dark energy candidates, in the light of the dynamical system theory. In the second part, we use a scalar field in the supergravity framework to build a model of dynamical dark energy and also to embed a holographic dark energy model into minimal supergravity. Finally, in the third part, we propose a model of metastable dark energy, in which the dark energy is a scalar field with a potential given by the sum of even self-interactions up to order six. We insert the metastable dark energy into a dark SU(2)R model, where the dark energy doublet and the dark matter doublet naturally interact with each other. Such an interaction opens a new window to investigate the dark sector from the point-of-view of particle physics. This thesis is based on the following papers, available also in the arXiv: 1611.00428, 1605.03550, 1509.04980, 1508.07248, 1507.00902 and 1505.03243. The author also collaborated in the works 1607.03506 and 1605.05264.

O impacto que estruturas algébricas podem exercer em teorias físicas e bem ilustrado pela Mecânica Quântica, onde os números complexos são inquestionavelmente a escolha mais adequada para desenvolver a teoria. A Relatividade Geral pseudo-complexa avalia a possibilidade da interação gravitacional assumir sua descrição mais natural quando construída tendo como base os números pseudo-complexos, que consistem em uma das três possibilidades de números complexos abelianos com uma unica unidade imaginária. Esse conjunto numérico e dotado de elementos não nulos cujo produto e zero, tais números recebem o nome de zeros generalizados ou divisores de zero. A presença de zeros generalizados permite a introdução de um princípio variacional modificado do qual um termo adicional, ausente na Relatividade Geral, emerge nas equações de campo. Esse termo adicional e interpretado como uma energia escura, cuja origem física está relacionada com flutuações no vácuo. A inclusão desse efeito e legítima pois flutuações no vácuo a priori devem gravitar como qualquer outra forma de energia. Das equações de campo podemos resumir a principal ideia conceitual da teoria, na Relatividade Geral pseudo-complexa massa não apenas curva o espaçotempo como também e capaz de alterar a estrutura do espaço-tempo ao redor da massa. As diferenças com relação a Relatividade Geral se manifestam em situações físicas extremas, no regime de campos gravitacionais intensos. Como aplicação analisamos sob o ponto de vista teórico um objeto compacto exótico composto por matéria escura fermiônica. / The impact that algebraic structures can exert on physical theories is well illustrated by Quantum Mechanics, where complex numbers are unquestionably the most appropriate choice to develop the theory. Pseudo-complex General Relativity evaluates the possibility that the gravitational interaction acquires its most natural description when constructed upon pseudo-complex numbers, which consist of one of the three possibilities of abelian complex numbers with a single imaginary unit. This numerical set is endowed with nonzero elements whose product is zero, such numbers are called generalized zeros or divisors of zero. The presence of generalized zeros allows the introduction of a modi ed variational principle from which an additional term, absent in General Relativity, emerges in the eld equations. This additional term is interpreted as a dark energy, whose physical origin is related to vacuum uctuations. The inclusion of this e ect is legitimate because a priori vacuum uctuations must gravitate as any other form of energy. From the eld equations we can summarize the main conceptual idea of the theory, in pseudo-complex General Relativity mass not only curves spacetime but also is able to change the structure of the spacetime around the mass. The di erences with respect to General Relativity are manifested in extreme physical situations in the regime of intense gravitational elds. As an application we analyze from the theoretical point of view an exotic compact object composed of fermionic dark matter.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:15:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 INTRODUCAO.pdf: 361900 bytes, checksum: 61c5aed4cf4bc2e7a2cd004f090f00ab (MD5) Previous issue date: 2012-02-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work reviews concisely some of the theoretical attempts to explain the recently observed acceleration of the universe. Emphasis is put on the so-called theories f(R) which involve invariant modi.cations of the Einstein-Hilbert Lagrangian density. The pertinent .eld equations are derived from three distinct formalisms which are known in the literature as the metric formalism, the Palatini formalism and the a¢ ne formalism. For the case of the metric and Palatini formalisms, we carry out some interesting calculations and show the corresponding versions of the Friedmann equations. In addition, we present a minimally coupled Friedmann-Maxwell-f(R) model which may give a cosmological equation of state for w that agrees with available measurements of the red-shift of Ia supernovae. / Diante das observações experimentais da expansão cósmica acelerada, diversos - modelos teóricos surgiram para explicar a aceleração do Universo. Neste trabalho revisamos modelos tais como a constante cosmológica e quintessência, a qual é modelada por um campo escalar. O contexto aqui apresentado foi elaborado a partir das teorias modificadas da gravitação, também conhecidas como teorias f(R). Tal modelo é considerado uma generalização da ação de Einstein-Hilbert onde termos invariantes de curvatura podem descrever um regime acelerado para o universo. As equações de campo podem ser obtidas a partir de três formalismos distintos, a saber, formalismo métrico, Palatini e métrico-afim. Realizamos algumas manipulações algébricas para esses formalismos, bem como a apresentação das equações de Friedmann generalizadas para o formalismo métrico e Palatini. Também apresentamos um modelo no formalismo métrico com um campo de Maxwell acoplado minimamente. As equações de Friedmann-Maxwell-f(R), as quais dependem da forma funcional de f(R) como também do campo Fµv, permitem que uma equação de estado para w pode ser ajustada em concordância com as medidas do red-shift de supernovas IA.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:15:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HeydsonHBS_TESE.pdf: 1323101 bytes, checksum: 18654a0afdabd08781b43fe6ac36fd9b (MD5) Previous issue date: 2014-04-16 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Significant observational effort has been directed to unveiling the nature of the so-called dark energy. However, given the large number of theoretical possibilities, it is possible that this a task cannot be based only on observational data. In this thesis we investigate the dark energy via a thermodynamics approach, i.e., we discuss some thermodynamic properties of this energy component assuming a general time-dependent equation-of-state (EoS) parameter w(a) = w0 + waf(a), where w0 and wa are constants and f(a) may assume different forms. We show that very restrictive bounds can be placed on the w0 - wa space when current observational data are combined with the thermodynamic constraints derived. Moreover, we include a non-zero chemical potential &#956; and a varying EoS parameter of the type &#969;(a) = &#969;0 + F(a), therefore more general, in this thermodynamical description. We derive generalized expressions for the entropy density and chemical potential, noting that the dark energy temperature T and &#956; evolve in the same way in the course of the cosmic expansion. The positiveness of entropy S is used to impose thermodynamic bounds on the EoS parameter &#969;(a). In particular, we find that a phantom-like behavior &#969;(a) < &#8722;1 is allowed only when the chemical potential is a negative quantity (&#956; < 0). Thermodynamically speaking, a complete treatment has been proposed, when we address the interaction between matter and energy dark / Esfor?os observacionais significativos t?m sido direcionados para investigar a natureza da chamada energia escura. No entanto, dado o grande n?mero de possibilidades te?ricas, esta tarefa n?o ? poss?vel baseando-se apenas em dados observacionais. Nesta tese, investigaremos a energia escura atrav?s da abordagem termodin?mica, isto ?, discutiremos algumas propriedades termodin?micas desta componente energ?tica assumindo um par?metro da equa??o de estado (EoS) geral dependente do tempo &#969;(a) = &#969;0 + &#969;af(a), onde &#969;0 e &#969;a s?o constantes e f(a) pode assumir diferentes formas. Mostraremos que limites muito restritivos podem ser colocados no espa?o &#969;0 &#8722; &#969;a quando dados observacionais recentes s?o combinados com os v?nculos termodin?micos derivados. Al?m disso, inclu?mos um potencial qu?mico &#956; n?o nulo e um par?metro da EoS vari?vel do tipo &#969;(a) = &#969;0 + F(a), portanto mais geral, nesta descri??o termodin?mica. Derivamos express?es gerais para a densidade de entropia e o potencial qu?mico, notando que a temperatura da energia escura T e &#956; evoluem da mesma maneira no decorrer da expans?o c?smica. A positividade da entropia S ? usada para impor limites termodin?micos ao par?metro da EoS &#969;(a). Em particular, encontramos que um comportamento tipo phantom &#969;(a) < &#8722;1 ? permitido somente quando o potencial qu?mico ? uma quantidade negativa (&#956; < 0). Termodinamicamente falando, um tratamento completo foi proposto, quando abordamos a intera??o entre mat?ria e energia escuras