Partículas massivas fracamente interagentes (WIMPs) são um dos mais atrativos candidatos para a matéria escura. Tais partículas são também muito promissoras em termos de detecção direta e indireta, pois elas devem possuir alguma conexão com as partículas do Modelo Padrão. Nesse contexto, extensões do Modelo Padrão podem introduzir candidatos para essas partículas de matéria escura. Propomos um modelo de extensão dupla para descrever as WIMPs, também chamadas de partículas escuras. Essa extensão é feita adicionando dois grupos de simetrias de calibre U(1) ao Modelo Padrão, um via mecanismo de Stueckelberg e o outro via mecanismo de Higgs. O mecanismo de Stueckelberg é um dos caminhos para garantir a invariância de calibre em bósons vetoriais massivos. Então, obtemos dois novos bósons de calibre, um chamado Z′ que é massivo e o outro γ′ (fóton escuro), que não possui massa e não interage com partículas do Modelo Padrão. A densidade de relíquia obtida experimentalmente pelas sondas espaciais WMAP e Planck auxilia na obtenção do valor mais provável para a massa do WIMP e, assim, podemos fixar outros parâmetros importantes para o modelo. Fazemos uma estimativa do impacto da presença de matéria escura e, principalmente, da emissão de fótons escuros no resfriamento de anãs brancas e de estrelas de nêutrons. Alguns resultados e perspectivas são apresentados. / Weakly interacting massive particles (WIMPs) are one of the most attractive candidates for dark matter. Such particles also are very promising in terms of direct and indirect detection, because they must have some connection to Standard Model (SM) particles. In this context, extensions of the SM can introduce candidates for these dark matter particles. In this sense, we propose a double extension model to describe the weakly interacting massive particles (WIMPs) or sometimes called dark particles. This extension is done by adding two extra U(1) gauge groups to the Standard Model, one via Stueckelberg mechanism and the other via Higgs mechanism. The Stueckelberg mechanism is one of the ways to ensure gauge invariance . Then we get two new gauge bosons, one called Z′ which is massive and the other γ′ (dark photon), which is massless and does not interact with the Standard Model particles. The relic density experimentally obtained by the WMAP and Planck spacecrafts will help in getting the most likely value for the mass of the WIMP and we can thus set other important parameters for the model. We estimate the impact of the presence of dark matter, and especially dark photon emission, in the cooling of white dwarfs and neutron stars. Some results and perspectives are presented.

Made available in DSpace on 2018-08-01T21:59:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_12242_Tese Final Paulo Louzada - PPGFis.pdf: 22099368 bytes, checksum: fc9ded0651bbb2a216c8d8270ec77872 (MD5) Previous issue date: 2018-06-12 / Nesta tese estudamos os efeitos da matéria escura e de modelos de gravitação não-Newtonianos nas curvas de rotação de galáxias espirais. As observações de curvas de rotação são uma das principais evidências da presença da matéria escura no Universo, e ao mesmo tempo revelam uma das aparentes inconsistências do modelo padrão da cosmologia, cujas simulações numéricas de N-corpos produzem halos de matéria escura conflitantes com as citadas observações. Investigamos aqui primeiramente, com uma grande amostra de galáxias coletada na literatura, se alguns modelos de gravitação modificada podem descrever as curvas de rotação das galáxias, tão bem ou melhor, quanto as expectativas do modelo padrão, sobretudo no centro das galáxias onde a já citada inconsistência ocorre. Na segunda parte usamos a mesma amostra de galáxias e desenvolvemos um novo método de análise, com o qual encontramos evidência de que mesmo as maiores galáxias de disco têm conflito, de menor magnitude, porém sistemáticos, entre observações e simulações. Por fim investigamos também a curva de rotação da nossa galáxia, a Via-Láctea, em conjunto com um outro tipo de observação, a da aceleração vertical local na vizinha solar, onde nossos resultados apontam sérias dificuldades para os modelos alternativos ao cenário padrão.

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:29:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_4557_.pdf: 3091584 bytes, checksum: f3f8012b211cf4052797c2a8cbf07695 (MD5) Previous issue date: 2010-08-09 / Esta dissertação é dedicada à investigação sobre a natureza da matéria e da energia escura no Universo através da técnica que utiliza observações a explosões de supernovae do tipo Ia como indicadoras de distâncias, usada no -fim do séc. XX para detectar a aceleração da expansão do Universo. Desde então alguns projetos voltados à observação de supernovae foram executados e tornaram públicos os seus dados, que são usados neste trabalho para a estimativa de parâmetros e comparação de modelos cosmológicos. O objetivo deste trabalho é de estudar a capacidade do teste cosmolgico feito com os dados das distâncias às supernovae tipo Ia e a sua resposta a diferentes modelos cosmológicos e parâmetros livres. Para isto foi feito uma revisão do modelo padrão da Cosmologia e das evidências que apontam para a presença da matéria e da energia escuras, seguida de um estudo sobre o fenômeno das supernovae tipo Ia em seus aspectos observacionais e astrofísicos, que permitem a construção das técnicas de calibração de suas magnitudes e a estimativa de suas distâncias. Antes de seguir para a análise cosmológica introduz-se a ferramenta apropriada que é a estatística bayesiana, estudada aqui apenas em suas ferramentas e aplicações mais elementares. E por último aplicamos estas ferramentas às amostras de dados de supernovae tipo Ia disponíveis na literatura conhecidas como Gold, SNLS, Essence e Constitution, para estudar alguns modelos cosmológicos de interesse, a começar pelo próprio modelo de concordância CDM e a parametrização wCDM que testa a consistência da suposição wX = -1 para a energia escura. Em seguida testamos dois modelos de energia do vácuo dinâmica (t) e por último um caso especial de quartessência, o Gás de Chaplygin generalisado. Os resultados mostram que os dados das supernovae usados isoladamente dão resultados bem menos expressivos do que os encontrados na literatura onde são usados em conjunto com outras evidências. Duas das amostras de dados incluindo a mais atual dão origem a resultados que apresentam irregularidades inesperadas, que apontam para a existência de fatores ainda não controlados pelas técnicas de calibração da supernovae. Ambos os resultados indicam que o teste cosmológico baseados nas distância às supernovae Ia ainda passará por um outro salto de qualidade num futuro próximo.

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:29:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_8632_Dissertação Álefe de Oliveira Freire.pdf: 4740132 bytes, checksum: 6220984720651d64291b7466bfa0b55b (MD5) Previous issue date: 2015-03-06 / A dinâmica de galáxias é normalmente tratada no regime de gravitação newtoniana, pois efeitos não-lineares de relatividade geral são considerados desprezíveis nesse contexto. Entretanto, algumas propostas recentes têm questionado esse procedimento. Nesta dissertação revisamos e avaliamos criticamente duas propostas que sugerem que esses efeitos não-lineares poderiam ser fortes o suficiente para eliminar ou reduzir a necessidade de matéria escura em galáxias. Além de reforçarmos certas críticas sobre a base teórica destas abordagens, mostramos que fenomenologicamente os procedimentos adotados para uma das propostas não são robustos e podem levar a resultados bem diferentes da observação, em contrapartida para a segunda proposta nossos testes apresentam resultados satisfatórios. Além disso, enfatizamos que o entendimento atual de dinâmica de galáxias no contexto de relatividade geral ainda não é sólido, assim uma precisa avaliação de suas correções nesse contexto necessita de mais atenção.

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:30:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_6813_Tese doutorado Juliano Pereira Campos.pdf: 1948431 bytes, checksum: 820056b03ada6ade49343f046124aeb2 (MD5) Previous issue date: 2013-08-28 / Nesta tese, investigamos o cenário de unificação promovido pelo modelo de gás de Chaplygin generalizado (um fluido perfeito caracterizado por uma equação de estado p = -A=p&#945;). Nossas preocupações estão com a possível tensão existente entre testes cinemáticos de base e aqueles relacionados à evolução de pequenas perturbações. Analisamos dados de observação da idade diferencial do Universo, de supernovas Ia, de oscilações acústicas bariônicas e da posição do primeiro pico do espectro angular da radiação cósmica de fundo. Mostramos que esses testes favorecem valores negativos do parâmetro &#945;: achamos &#945;= -0.089+0.161 -0.128 com nível de 2&#963; e &#945; < 0 com 85% de confiança. Estes correspondem a valores negativos do quadrado da velocidade do som, que são inaceitáveis do ponto de vista de formação de estrutura. Discutimos uma possível solução para este problema, quando o gás de Chaplygin generalizado é descrito na teoria modificada da gravidade proposta por Rastall. Mostramos que uma descrição do fluido no âmbito desta teoria não serve ao propósito, mas ela é necessária para a estrutura de gás de Chaplygin generalizado em uma teoria de campo escalar. Finalmente, abordamos a relatividade geral padrão no cenário de unificação fornecido pelo gás de Chaplygin generalizado no caso &#945; = 0: este é geralmente considerado indistinguível do modelo &#923;CDM padrão, mas mostramos que a evolução de pequenas perturbações, governada pela equação de Mészáros, é de fato diferente e a formação de halos de matéria GCG em sub-horizonte deve ser afetada fortemente em comparação com o cenário &#923;CDM.

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:30:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_8252_Tese final Rodolfo Camargo de Freitas20141114-121230.pdf: 3704759 bytes, checksum: 5b5b02b9e7443acd81921ce566aff8a5 (MD5) Previous issue date: 2014-09-24 / Perturbações relativísticas de origem quântica no universo primordial são as "sementes" que evoluíram nas estruturas em grandes escalas através de instabilidades gravitacionais clássicas. Nós estudamos o formalismo invariante de calibre para as perturbações cosmológicas, aplicamos em um modelo inflacionário com dois campos onde um destes campos sofre um ganho de massa, que provoca uma guinada abrupta na trajetória dos campos, resultando em oscilações no espectro de potência primordial com amplitudes limitadas pelos dados observacionais. Estudamos também a formação de estruturas em um modelo onde a matéria escura é descrita por partículas que sofre uma condensação de Bose-Einstein.

Orientador: Rogério Rosendeld / Co-orientador: Nicolás Bernal / Banca: Ricardo D'Elia Matheus / Banca: Renata Zukanovich Funchal / Resumo: A matéria escura é responsável por cerca de 85% de toda a matéria do universo. Sabe-se que ela possui um longo tempo de vida, que é neutra e interage com a matéria comum apenas gravitacionalmente. Muitos modelos foram aventados para descrever as possíveis partículas de matéria escura, muitos deles baseados em extensões do modelo padrão para partículas elementares. Em particular, há os modelos de partículas massivas interativas por força forte, os SIMPs, que estendem o modelo padrão com um setor escalar extra contendo todas as partículas de matéria escura, cuja estabilidade é garantida por uma simetria discreta, a qual respeitam. Essa simetria também estende as possível interações entre as partículas de matéria escura para além da usual auto-aniquilação de pares e do contexto do problema de Lee-Weinberg, descrito pelas partículas massivas interagentes por força fraca, os WIMPs. Neste trabalho postulamos a existência de um setor escalar com uma simetria discreta 'Z IND. 3'; consequente de uma quebra de simetria U(1)DM global. Esta simetria permite que processos de semi-aniquilação e aniquilação 3 "SETA" 2 também ocorram, além do usual processo de auto-aniquilação. Estudaremos esses três cenários, encontrando as soluções das equações de Boltzmann e comparando suas respectivas abundâncias com o resultado observacional, para podermos avaliar nosso modelo. Começaremos por revisar importantes conceitos da cosmologia padrão e por apresentar o modelo. Então revisaremos as soluções numéricas para as equações, e apresentaremos nossos próprios resultados para soluções semi-analíticas dos processos de semianiquilação e de aniquilação 3 'SETA' 2. Concluiremos por apresentar nossos próprios resultados para a solução da equação de Boltzmann para o processo 3 'SETA' 2 usando uma seção de choque que é dependente da temperatura, calculada com o pacote CalcHEP / Abstract: Dark matter accounts for approximately 85% of all the matter in the universe. It is known to have a long lifetime, to be neutral and to interact with ordinary matter almost only gravitationally. There have been several models to suggest possible particles for the dark matter, many of them relying on extensions to the standard model of elementary particles. In particular, there are SIMP (strongly-interacting massive particles) models, which extend the standard model by an extra scalar sector containing the dark-matter particles, whose stability is provided by a discrete symmetry. This symmetry also extends the possible interactions between the dark-matter particles to beyond the usual pair annihilation and Lee-Weinberg scenario described by the WIMP (weakly-interacting massive particles) models. In our study, we postulate the existence of an extended dark sector with a 'Z IND. 3' discrete symmetry, which is the consequence of a global U(1)DM symmetry breaking. This symmetry allows the semi-annihilation and 3 'SETA' 2 annihilation processes to take place, besides the usual self-annihilation process. We will study each of these three scenarios, solving the respective Boltzmann equations and comparing the correspondent relic abundance to the observed one, in order to verify the liability of each of them. We will start by reviewing important aspects of standard cosmology and presenting our model. Then we will review the numerical solutions for the equations, and present our own results for semi-analytical solutions to the semi- and 3 'SETA' 2 annihilation processes. We will end by presenting our own results on solving the 3 'SETA' 2 Boltzmann equation for a temperature-dependent cross-section, calculated with the CalcHEP package / Mestre

Neste trabalho, estudamos modelos cosmológicos em que a energia escura foi tratada como um campo de matéria que interage com a matéria escura. Três modelos distintos foram considerados. O primeiro trata tanto a matéria escura fria quanto a energia escura como fluidos perfeitos. O termo de interação entre eles é dado por uma expressão com origem fenomenológica que postulamos existir na equação de balanço entre esses dois fluidos. Dadas as equações no universo plano de Friedmann-Robertson-Walker (FRW), pudemos escrever uma versão covariante para as equações de balanço. Com isso, as equações de balanço em um universo de FRW perturbado linearmente foram obtidas. Isso, por sua vez, permitiu que a estabilidade das equações diferenciais obtidas fosse estudada. O segundo modelo tem origem em modelos de f(R). Esses modelos propõem uma generalização da Relatividade Geral ao considerar a ação da gravidade como um funcional do escalar de Ricci, R. Através de uma transformação conforme, foi possível reinterpretar os modelos de f(R) como modelos em que um campo escalar canônico, que representa a energia escura, interage com os campos da matéria. Através do princípio da ação, obtivemos as equações de movimento e o tensor de energia-momento para nosso sistema. Com o campo escalar sendo interpretado como um fluido perfeito, pudemos, por fim, obter equações de balanço entre fluidos perfeitos tanto no nível de fundo quanto no universo perturbado linearmente. O terceiro modelo começa com a lagrangiana, em um espaço-tempo de FRW, de um campo escalar canônico, que representa a energia escura, e um campo fermiônico de spin-1/2, que representa a matéria escura. Um termo de interação de Yukawa entre esses campos foi postulado existir na lagrangiana. Novamente através do princípio da ação, obtivemos as equações de movimento e o tensor de energia-momento para esses campos. Essas equações de movimento puderam, por fim, ser reescritas como equações de balanço entre fluidos perfeitos tanto no nível de fundo quanto no universo perturbado linearmente. / In this work we studied cosmological models in which the dark energy was treated as a field of matter that interacts with dark matter. Three different models were considered. The first one treats both the cold dark matter and the dark energy as perfect fluids. The interaction term between them is given by a expression with phenomenological origin that we postulated to exist in the balance equations between these two fluids. Given the equations in the flat Friedmann-Robertson-Walker (FRW) universe, we wrote a covariant version of the balance equations. Thus, the balance equations in a linearly perturbed FRW universe were obtained. This, in turn, allowed the stability of the obtained differential equations to be studied. The second model comes from f(R) models. These models propose a generalization of General Relativity by considering the action for gravity as a functional of the Ricci scalar, R. Through a conformal transformation, it was possible to reinterpret the f(R) models as models in which a canonical scalar field, which represents the dark energy, interacts with matter fields. Through the principle of least action, we obtained the equations of motion and the energy-momentum tensor for our system. With the scalar field being interpreted as a perfect fluid, we obtained equations of balance for perfect fluids at both the background level and in the linearly perturbed universe. The third model starts with the Lagrangian, in a FRW space-time, of a canonical scalar field, which represents the dark energy, and of a fermionic field of spin-1/2, which represents the dark matter. A Yukawa interaction term between these fields was postulated to exist in the Lagrangian. Again, through the principle of least action, we obtained the equations of motion and the energy-momentum tensor for these fields. These equations of motion could then be rewritten as balance equations for perfect fluids at both the background level and in the linearly perturbed universe.

In this thesis we go beyond the standard cosmological LCDM model and study the effect of an interaction between dark matter and dark energy. Although the LCDM model provides good agreement with observations, it faces severe challenges from a theoretical point of view. In order to solve such problems, we first consider an alternative model where both dark matter and dark energy are described by fluids with a phenomenological interaction given by a combination of their energy densities. In addition to this model, we propose a more realistic one based on a Lagrangian density with a Yukawa-type interaction. To constrain the cosmological parameters we use recent cosmological data, the CMB measurements made by the Planck satellite, as well as BAO, SNIa, H0 and Lookback time measurements. / Nesta tese vamos além do modelo cosmológico padrão, o LCDM, e estudamos o efeito de uma interação entre a matéria e a energia escuras. Embora o modelo LCDM esteja de acordo com as observações, ele sofre sérios problemas teóricos. Com o objetivo de resolver tais problemas, nós primeiro consideramos um modelo alternativo, onde ambas, a matéria e a energia escuras, são descritas por fluidos com uma interação fenomenológica dada como uma combinação das densidades de energia. Além desse modelo, propomos um modelo mais realista baseado em uma densidade Lagrangiana com uma interação tipo Yukawa. Para vincular os parâmetros cosmológicos usamos dados cosmológicos recentes como as medidas da CMB feitas pelo satélite Planck, bem como medidas de BAO, SNIa, H0 e Lookback time.

Propomos um modelo fenomenológico unificado para matéria escura e energia escura, baseado em uma equação de estado com parâmetro w escrito em termos de arco-tangente. Os parâmetros livres do modelo são três constantes: Ωb0, α e β. O parâmetro α dita a taxa de transição entre o período de domínio da matéria e o período de expansão acelerada. A razão β/ α fornece o redshift de equivalência entre os dois regimes. Os parâmetros cosmológicos são fixados pelos dados observacionais de nucleossíntese primordial, supernovas do tipo Ia, explosões de raios gama, oscilações acústicas de bárions e medição do parâmetro de Hubble. Os vários conjuntos de dados são usados em diferentes combinações para ajustar os parâmetros cosmológicos via análise estatística. O Modelo Unificado é comparado ao modelo ΛCDM e suas diferenças são enfatizadas. A análise realizada em background parece indicar que o Modelo Unificado dinâmico é ligeiramente preferível em detrimento do modelo ΛCDM. No entanto, através do desenvolvimento da teoria de perturbação para o nosso Modelo Unificado, concluímos que ele é incapaz de produzir o power spectrum atual das flutuações de densidade. Esta é uma desvantagem possivelmente fatal do nosso modelo, pelo menos na parametrização de w utilizada. / We propose a phenomenological unified model for dark matter and dark energy based on an equation of state parameter w that scales with the arc tangent of the redshift. The free parameters of the model are three constants: Ωb0, α and β. Parameter α dictates the transition rate between the matter dominated era and the accelerated expansion period. The ratio β/α gives the redshift of the equivalence between both regimes. Cosmological parameters are fixed by observational data from Primordial Nucleosynthesis, Supernovae of the type Ia, Gamma-Ray Bursts and Baryon Acoustic Oscillations. The various sets of data are used in different combinations to constraint the parameters through statistical analysis. The unified model is compared to the ΛCDM model and their differences are emphasized. The analysis performed on the background seems to indicate that our dynamical unified model is slightly preferable to the concordance ΛCDM model. However, by developing the perturbation theory for our unified model, we conclude that it is unable to produce the power spectrum of density fluctuation observed today. This is a possibly fatal drawback of our model, at least in the parameterization of w. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES