Há duas brechas quânticas nos Teoremas da Singularidade em Relatividade Geral: violações das condições clássicas de energia e flutuações quânticas da geometria do espaço-tempo. Nesta dissertação, estudamos a primeira brecha e abordamos os Teoremas da Singularidade através da condição de energia. Revisamos a abordagem algébrica de Teoria Quântica de Campos para o campo de Klein-Gordon e, neste formalismo, revisamos a derivação de uma desigualdade quântica de energia para os estados de Hadamard em espaços-tempos globalmente hiperbólicos. Apesar das desigualdades quânticas de energia não poderem ser aplicadas diretamente nos Teoremas de Singularidade, mostramos que generalizações dos Teoremas de Hawking e Penrose são provadas considerando condições de energia enfraquecidas inspiradas por elas. Assim sendo, os Teoremas de Singularidade continuam valendo se considerarmos efeitos quânticos sutis. A questão de se efeitos de interação ou efeitos de ``backreaction\'\' poderiam quebrá-los ainda está em aberto; há razões para se esperar ambas as respostas. / There are two quantum loopholes in the Singularity Theorems of General Relativity: violations of the classical energy conditions and quantum fluctuations of the spacetime geometry. In this dissertation, we study the first loophole and approach Singularity Theorems through the energy condition. We review the algebraic approach of Quantum Field Theory for the Klein-Gordon field and, within it, we review the derivation of a quantum energy inequality for Hadamard states on globally hyperbolic spacetimes. However quantum energy inequalities cannot be directly applied to Singularity Theorems, we show that generalized Hawking and Penrose Theorems are proven considering weakened energy conditions inspired by them. Hence, Singularity Theorems do hold under subtle quantum effects. The question of whether interaction or backreaction effects could break them is still open; there are reasons to expect both answers.

O objeto de estudo desta dissertação é o efeito de criação de partículas pela curvatura sob o escopo de uma teoria de espalhamento, discutindo quando que a interpretação a partir de uma matriz S é tangível e obtendo sua expressão nesses casos. O capítulo de introdução aborda superficialmente conceitos de relatividade geral e de teoria quântica de campos em espaços planos e curvos, necessários para a construção da matriz S. O conteúdo deste capítulo segue as apresentações feitas por Wald, Parker e Birrell em geral, tendo como guia as obras de Bar, Wald e Hawking no que se trata especificamente de relatividade geral, e de Penrose e Rindler no que se trata da estrutura espinorial. A construção da matriz S se dá no capítulo 2, tendo como guia o trabalho de Wald. O capítulo 3 apresenta exemplos que permitem a contextualização da criação de partículas em casos específicos de espaços-tempos em expansão. Este estudo nos permite verificar que as condições que precisam ser satisfeitas em um espaço-tempo globalmente hiperbólico e assintoticamente estacionário para que a formulação da matriz S possa ser feita são que as teorias no passado e futuro distantes devem ser unitariamente equivalentes, que a relação entre as regiões se dá através de transformações de Bogolyubov dadas por operadores limitados definidos em toda a parte e que tais operadores satisfaçam a condição de Hilbert-Schmidt. Nestes casos obtemos uma expressão para a matriz $S$ que descreve a criação de partículas pela curvatura do espaço-tempo para o campo de Klein-Gordon e de Dirac, além de outras relações úteis, como número médio de partículas criadas e probabilidade de se encontrar partículas em determinado modo, o que permite uma analogia com a radiação de corpo negro, passo fundamental para se entender fenômenos de grande interesse na física, como a radiação de Hawking e a criação de partículas no período inflacionário. / This master\'s thesis deals with the effect of particle creation by the curvature of space-time according to the point of view of scattering theory, discussing when such interpretation is possible by means of an S-matrix and obtaining its expression in those cases. The first chapter treats, superficially, some concepts of general relativity and quantum field theory in plane and curved space-times that are imperative to understand the construction of the S-matrix. The subject of this chapter is covered in the work of Wald, Parker, and Birrell, and follows closely the work of Bar, Wald and Hawking, when treats concepts specifically from general relativity, and from Penrose and Rindler, when talking about the spinor structure of space-time. The construction of the S-matrix is made in the second chapter, along the lines of the work of Wald. The third chapter presents some examples that bring some light on the creation of particles in specific cases of expanding space-times. This study let us verify that an S-matrix formulation is tenable, on globally hyperbolic asymptotic stationary curved space-times, if both quantum theories in the distant past and distant future are unitary equivalent, the relation of both regions is made by Bogolyubov transformations by means of everywhere defined bounded operators and that those operators satisfy the Hilbert-Schmidt condition. In those cases we derive the expression of the S-matrix for the Klein-Gordon and Dirac fields. Also we obtain the number of particles created and the probability of find particles in a particular mode, with let one make an analogy with the black body radiation, which is a fundamental step in the direction of understanding interesting phenomena in quantum field theory in curved space-times, like the Hawking radiation and particle creation in the early universe.

Nesta tese estudamos o modelo CP^(N-1) em (2+1) dimensões do espaco-tempo, onde o campo básico está na representacão fundamental. Diferentemente do caso em que o campo básico está na representacão adjunta, já estudado na literatura, o modelo por nós estudado se reduz ao modelo supersimétrico usual no limite comutativo. Analisamos a estrutura de fase e calculamos as correcões dominantes e subdominantes na expansão 1/N. Provamos que a teoria é livre de singularidades infravermelhas não integráveis e é renormalizável na ordem dominante. A funcão de vértice de dois pontos do campo básico é calculada e renormalizada de uma forma explicitamente supersimétrica na ordem subdominante. / In this thesis we sutudy the noncommutative supersymmetric CP^(N-1) model in (2+1) space-time dimensions, where the basic field is in the fundamental representation which, differently to the adjoint representation already studied in the literature, goes to the usual supersymmetric model in the commutative limit. We analyse the phase structure of the model and calculate the leading and subleading corrections in the 1/N expansion. We prove that the theory is free of non-integrable IR/UV infrared singularities and is renormalizable in the leading order. The two point vertex function of the basic field is also calculated and renormalized in an expliciitly supersymmetic way up to subleading order.

Orientador: Prof. Dr. André Gustavo Scagliusi Landulfo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2018. / Nas últimas décadas, pesquisas na área de física de buracos negros mostraram que existe uma relação profunda entre buracos negros, termodinâmica e mecânica quântica. Em particular, buracos negros em um contexto semiclássico parecem possuir uma temperatura TH=k/2p e uma entropia Sbh =A/4, proporcionais à sua gravidade superficial k e à sua área A, respectivamente. Essa surpreendente conexão é reforçada ao analisarmos a validade da chamada Segunda Lei Generalizada da Termodiâmica (SLG), que afirma que a entropia da matéria fora do buraco negro somada à entropia do buraco negro nunca decresce com o tempo. Este trabalho investiga provas gerais da validade da Segunda Lei Generalizada, já que tem um papel central na interpretação de buracos negros como entidadestermodinâmicas. Emseguida, é analisado como podemos usar a SLG para extender um teorema clássico de singularidade para um contexto semiclássico. / In the past few decades, research in black hole physics have shown a deep relation between black holes, thermodynamics, and quantum mechanics. In particular, blackholes in a semiclassical context appear to have a temperatureTH =k/2p and an entropy Sbh = A/4 proportional to its surface gravity k and area A,respectively. This striking connection is strengthened when one analyses the validity of the so called Generalized Second Law of Thermodynamics (GSL), which states that the entropy of matter outside the black hole plus the black hole¿s entropy never decrease with time. This work investigate general proofsofthevalidityofGeneralizedSecondLaw,sinceitplaysacentralroleininterpreting black holes as thermodynamical entities. In addition, it is analyzed how the GSL can be used to extend a classical singularity theorem to a semiclassical context.

Nesta tese de doutorado é utilizado o método das Regras de Soma da QCD para estudar a natureza dos novos estados ressonantes do charmonium: Y(3930), Y(4140), X(4350), Y(4260), Y(4360) e Y(4660). Há fortes evidências de que estes estados possuam estruturas hadrônicas não convencionais (ou exóticas) uma vez que as suas respectivas massas e canais de decaimento observados experimentalmente são inconsistentes com o que é esperado para o estado ressonante convencional do charmonium, J/psi. O mesmo fenômeno ocorre no setor do bottomonium, onde os novos estados Yb(10890) e Yb(11020) observados recentemente poderiam indicar a existência de novos estados exóticos do bottomonium. Neste sentido, verifica-se que o estado Y(4140) poderia ser descrito ou por uma estrutura molecular Ds*Ds* (0++) ou mesmo uma mistura entre estados moleculares Ds*Ds* (0++) e D*D* (0++). Já os estados Y(3930) e o X(4350) não podem ser descritos por correntes moleculares D*D* (0++) e Ds*Ds* (1-+), respectivamente. Verifica-se também que a estrutura molecular Psi(2S) f_0(980) (1--) descreve muito bem a massa do estado Y(4660). Uma extensão ao setor do bottomonium indica que o estado molecular Y(2S) f_0(980) é um bom candidato para descrever a estrutura do estado Yb(10890). É feita também uma estimativa para os possíveis estados moleculares formados por mésons D(*) e B(*), que poderão ser observados em futuros experimentos realizados pelo LHC. Um amplo estudo, utilizando o formalismo das Regras de Soma e também da Dupla Razão das Regras de Soma, é feito para calcular as massas dos bárions pesados na QCD. As estimativas para as massas dos bárions com um (Qqq) e com dois (QQq) quarks pesados são um excelente teste para a capacidade do método das regras de soma em prever a massa dos bárions que ainda não foram observados. / In this thesis, the QCD sum rules approach was used to study the nature of the new charmonium resonances: Y(3930), Y(4140), X(4350), Y(4260), Y(4360) and Y(4660). There is a strong evidence that these states have non-conventional (or exotic) hadronic structures since their respective masses and decay channels observed experimentally are inconsistent with what expected for a conventional charmonium state, J/psi. The same phenomenon occurs on the bottomonium sector, where new states like Yb(10890) and Yb(11020) observed recently could indicate the existence of new bottomonium exotic states. In this way, one verifies that the state Y(4140) could be described as a Ds*Ds* (0++) molecular state or even as a mixture of Ds*Ds* (0++) and D*D* (0++) molecular states. For the Y(3930) and X(4350) states, both cannot be described as a D*D* (0++) and Ds*Ds* (1-+), respectively. From a sum rule point of view, the Y(4660) state could be described as a Psi(2s) f_0(980) (1--) molecular state. The extension to the bottomonium sector is done in a straightforward way to demonstrate that the Y(2S) f_0(980) molecular state is a good candidate for describing the structure of the Yb(10890) state. In the following, one estimates the mass of the exotic Bc-like molecular states using QCD Sum Rules - these exotic states would correspond to bound states of D(*) and B(*) mesons. All of these mass predictions could (or not) be checked in a near future experiments at LHC. A large study using the Double Ratio of Sum Rules approach has been evaluated for the study of the heavy baryon masses in QCD. The obtained results for the unobserved heavy baryons, with one (Qqq) and two (QQq) heavy quarks will be an excellent test for the capability of the sum rule approach in predicting their masses.

Resumo Neste trabalho apresentamos, em detalhes, a construção de uma teoria quântica dos campos topológica (TQCT). Podemos definir uma TQCT como um funtor simétrico monoidal da categoria dos cobordismos para a categoria dos espaços vetoriais. Em duas dimensões podemos encontrar uma descrição completa da categoria dos cobordismos e classificar todas as TQCT\'s. Em três dimensões é possível estender alguns invariantes para 3-variedades e construir uma TQCT 3D. Nossa construção é baseada no invariante para 3-variedades de Kuperberg, o qual envolve diagramas de Heegaard e álgebras de Hopf. Começamos com a apresentação do invariante de Kuperberg definido para toda variedade 3D compacta, orientável e sem bordo. Para cada álgebra de Hopf de dimensão finita constrói-se um invariante. Por fim, apresentamos a TQCT associada com o invariante de Kuperberg. Isto é feito usando-se o fato de que o invariante de Kuperberg é definido como uma soma de pesos locais tal qual uma função de partição. A TQCT decorre dos operadores advindos de variedades com bordo. / Abstract In this work we present in detail a construction of a topological quantum field theory (TQFT). We can define a TQFT as a symmetric monoidal functor from cobordism categories to category of vector spaces. In two dimension, we can give a complete description of cobordism categories and classify all TQFT\'s. In three dimension it is possible to extend some specific 3-manifold invariants and to construct a TQFT 3D. Our construction is based on the Kuperberg 3-manifold invariant which involves Heegaard diagrams and Hopf algebras. We start with the presentation of the Kuperberg invariant defined for every orientable compact 3-manifold without boundary. For each finite-dimensional Hopf algebra we can construct a invariant. Finally we presente the TQFT associated with the Kuperberg invariant. This is made using the fact that the Kuperberg invariant is defined like a sum of local weights in the same way as a partition function. The TQFT is constructed from the operators given by manifolds with boundary.

A presente dissertação tem como objeto de estudo sistemas da física da matéria condensada que sejam capazes de simular sistemas gravitacionais, tais como buracos negros e universos em expansão, onde processos quânticos tomam parte. Neste estudo nos debruçamos principalmente sobre o modelo do fluido e condensados de Bose-Einstein. No modelo do fluido exploramos a geometria efetiva que surge e os problemas de back-reaction e dos modos trans-planckianos de campos quânticos. No modelo baseado em condensados exploramos sua faceta cosmológica e a possibilidade de campos maciços. Além destes dois modelos de grande relevância na literatura, ainda expomos os análogos em cordas elásticas e os baseados em ondas na superfícies de fluidos e uma análise geral baseada no formalismo lagrangeano para campos. / This dissertation has as object of study systems of condensate-matter physics which can simulate gravitational systems like black holes and expanding universes where quantum processes take place. In this study we lay attention mainly on the fluid model and on Bose-Einstein-condensate-based models. In the fluid model we explore the features of the emergent geometry and other problems like the back-reaction and the trans-planckian modes of quantum fields. In the condensate-based models we explore their cosmological aspects and the possibility for massive fields. Moreover, we shall present two other models, the elastic string and the surface-wave-based models in fluids, and a very general analysis based on the Lagrangean formalism for fields.

Submitted by Vasti Diniz (vastijpa@hotmail.com) on 2017-09-12T12:08:23Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3631858 bytes, checksum: 8e326a8bf5b797bf3b1919d031583614 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-12T12:08:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3631858 bytes, checksum: 8e326a8bf5b797bf3b1919d031583614 (MD5) Previous issue date: 2017-07-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, we consider a charged massive fermionic quantum field in the idealized cosmic string spacetime and in the presence of a magnetic field confined in a cylindrical tube of finite radius. Three distinct configurations for the magnetic fields are taken into account: (i) a cylindrical shell of radius a, (ii) a magnetic field proportional to 1/r and (iii) a constant magnetic field. In these three cases, the axis of the infinitely long tube of radius a coincides with the cosmic string. Our main objectives in this paper are to analyze vacuum expected values (VEVs) of the current density, jP, fermionic condensate (FC) e and the VEV of the fermionic energy-momentum tensor, Ti". In order to do that, we explicitly construct the complete set of normalized wave-functions for each configuration of magnetic field. We show that in the region outside the tube, the current density, the FC and the VEV of the energy-momentum tensor are decomposed into two parts: the first ones correspond to the zero-thickness magnetic flux contributions, and the seconds are induced by the non-trivial structure of the magnetic field, named core-induced contributions. The latter present specific forms depending on the magnetic field configuration considered. We also show that the VEV of the energy-momentum tensor is diagonal, obeys the conservation condition and its trace is expressed in terms of the fermionic condensate. / Nesta Tese, consideramos urn campo fermiônico massivo e carregado no espaço-tempo de uma corda cósmica ideal na presença de um campo magnético confinado em um tubo cilindrico de raio finito a. Levamos em conta três configurações para o campo magnético: (i) uma casca cilindrica de raio a, (ii) um campo magnetico proporcional a 1/r e (iii) urn campo magnetico constante. Nos três casos, o eixo de simetria da corda cósmica coincide corn o eixo de simetria do tubo cilindrico de campo magnetico, dispostos ao longo do eixo z. Nossos principais objetivos nesta Tese sao analisar os valores esperados no yam° (VEV) da densidade de corrente, ji", do condensado fermionico (FC) e o VEV do tensor energia-momento (TEM), Ti". Para isto, construfmos urn conjunto completo de fungoes de onda de Dirac normalizadas para cada configuragao de campo magnetic° e mostramos que na regiao fora do tubo, a densidade de corrente, o CF e o VEV do TEM sao decompostos como a soma de duas partes. A primeira corresponde a contribuigao da linha de fluxo magnetic° que corre ao longo da corda cOsmica ideal, e a segunda contribuigao é induzida devido a estrutura nao trivial de campo magnetic°. Mostramos tambem que o VEV do tensor energia-momento é diagonal, obedece a condigao de conservagao e que seu trago é expresso ern termos do condensado fermionico.

A presente dissertação tem como objeto de estudo sistemas da física da matéria condensada que sejam capazes de simular sistemas gravitacionais, tais como buracos negros e universos em expansão, onde processos quânticos tomam parte. Neste estudo nos debruçamos principalmente sobre o modelo do fluido e condensados de Bose-Einstein. No modelo do fluido exploramos a geometria efetiva que surge e os problemas de back-reaction e dos modos trans-planckianos de campos quânticos. No modelo baseado em condensados exploramos sua faceta cosmológica e a possibilidade de campos maciços. Além destes dois modelos de grande relevância na literatura, ainda expomos os análogos em cordas elásticas e os baseados em ondas na superfícies de fluidos e uma análise geral baseada no formalismo lagrangeano para campos. / This dissertation has as object of study systems of condensate-matter physics which can simulate gravitational systems like black holes and expanding universes where quantum processes take place. In this study we lay attention mainly on the fluid model and on Bose-Einstein-condensate-based models. In the fluid model we explore the features of the emergent geometry and other problems like the back-reaction and the trans-planckian modes of quantum fields. In the condensate-based models we explore their cosmological aspects and the possibility for massive fields. Moreover, we shall present two other models, the elastic string and the surface-wave-based models in fluids, and a very general analysis based on the Lagrangean formalism for fields.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-12-22T13:25:11Z No. of bitstreams: 1 vahidnikoofard.pdf: 794368 bytes, checksum: 26feb8d15d2757f79f8d7dfb69b610c2 (MD5) / Approved for entry into archive by Diamantino Mayra (mayra.diamantino@ufjf.edu.br) on 2017-01-31T10:20:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 vahidnikoofard.pdf: 794368 bytes, checksum: 26feb8d15d2757f79f8d7dfb69b610c2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-31T10:20:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 vahidnikoofard.pdf: 794368 bytes, checksum: 26feb8d15d2757f79f8d7dfb69b610c2 (MD5) Previous issue date: 2015-06-30 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta tese é composta por assuntos distintos entre si de teorias quânticas de campos onde alguns deles são descritos em espaços não-comutativos (NC). Em primeiro lugar, analisamos a dinâmica de uma partícula livre sobre uma 2-esfera e através da dinâmica das suas equações de movimento, obtivemos as perturbações NCs neste espaço de fase. Este modelo sugere uma origem para o Zitterbewegung do elétron. Depois disso, consideramos umaversãoNCdasegundaleideNewtonparaestemodelo, quefoiobtidocomestecenário geométrico aplicado a este modelo. Em seguida, discutimos um formalismo alternativo relacionado à não-comutatividade chamado DFR onde o parâmetro NC é considerado uma coordenada e demonstramos exatamente que ela tem obrigatoriamente um momento conjugado neste espaço de fase DFR, diferentemente do que alguns autores da atual literatura sobre DFR afirmam. No próximo assunto, usando o formalismo de solda que, em poucaspalavras,colocapartículascomquiralidadesopostasnomesmomultipleto,soldamos algumas versões NCs de modelos bem conhecidos como modelos de Schwinger quirais e modelos (anti) auto duais no espaço-tempo de Minkowski estendido. Em outro assunto estudado aqui, também construímos a versão NC do modelo de Jackiw-Pi com um grupo de calibre arbitrário e usamos o mapeamento bem conhecido de Seiberg-Witten para obter este modelo NC em termos de variáveis comutativos. Finalmente, utilizamos o formalismo de campos e anticampos (ou método BV) para construir a ação de Batalin-Vilkovisky (BV) do modelo Jackiw-Pi estendido e após o prEntendiocedimento de fixação de calibre chegamos a uma ação completa, pronta para quantização. / This thesis is composed of distinct aspects of quantum field theories where some of them are described in noncommutative (NC) spaces. Firstly, we have analyzed the dynamics of a free particle over a 2-sphere and through the dynamics of the equations of motion we have derived its NC perturbations in the phase-space. This model suggests an origin for Zitterbewegung feature of the electron. After that we have considered the NC version of Newton’s second law for this model, which was obtained with the geometricalscenarioappliedtothismodel. Thenwehavediscussedtheso-calledDoplicher– Fredenhagen–Roberts (DFR) alternative formalism concerning noncommutativity where the NC parameter has a coordinate role and we showed exactly that it has a conjugated momentum in the DFR phase-space, differently of what some authors of the current DFR-literature claims. In the next issue, using the soldering formalism which, in few words, put opposite chiral particles in the same multiplet, we have soldered some NC versions of well known models like the chiral Schwinger model and (anti)self dual models in the extended Minkowski spacetime. Changing the subject, we have constructed the NC spacetime version of Jackiw-Pi model with an arbitrary gauge group and we used the well known Seiberg-Witten map to obtain the NC model expressed in terms of commutative variables. Finally, we have used the field-antifield (or BV method) formalism to construct the Batalin-Vilkovisky (BV) action of the extended Jackiw-Pi model and after the gauge fixing procedure we have arrived at a quantized-ready action for this model.