Neste trabalho discutimos um modelo baseado em teoria de campos para descrever a energia escura, no qual ela é representada por uma partícula ultra-leve situada em um mínimo metaestável de um potencial. Mostramos que a energia escura neste modelo decai em matéria escura durante o tempo de vida do universo, amenizando o problema da coincidência. / In the present work we discuss a field theory model in which dark energy is described by ultra-light particle situated at a metastable minimum of a potential. We show that dark energy in this model decays into dark matter during a time scale corresponding to the age of the universe, alleviating the coincidence problem.

Nesta tese, estudamos cosmologias com criação de matéria como alternativa ao modelo $\\Lambda$CDM. Generalizamos a equação de Boltzmann relativística com um termo de produção de partículas fenomenológico, de tal forma que a equação resultante seja capaz de reobter os resultados da termodinâmica de não-equilíbrio das equações de balanço e evolução de temperatura. Após obter o termo correto para a equação generalizada de Boltzmann, investigamos como o formalismo proposto altera a equação de evolução de relíquias cósmicas na presença de criação gravitacional de partículas. / In this thesis, we study matter creation cosmologies as an alternative to the $\\Lambda$CDM model. We generalize the relativistic Boltzmann equation with a phenomenological particle production term, in such a way that the resulting equation will be able to reproduce the non-equilibrium thermodynamics results of the balance equations and temperature evolution law. After obtaining the correct term to the generalized Boltzmann equation, we investigate how the proposed formalism changes the cosmic relic evolution equation in the presence of gravitational particle creation.

Os aglomerados de galáxias são as maiores estruturas gravitacionais em situação de quase-equilíbrio, mas apesar dos esforços de pesquisa das últimas décadas, pouco conhecemos de suas estruturas e composição. Os recentes avanços teóricos e observacionais associados aos aglomerados de galáxias motivam essa proposta de pesquisa. Nosso foco é no entendimento da componente não-observada em aglomerados de galáxias. Especificamente, investigamos uma teoria de gravitação alternativa denominada Gravitação Newtonina Modificada (MOND) que pretende substituir o paradigma da matéria escura, mas que apresenta problemas quando aplicada aos centros dos aglomerados. Revisamos e sintetizamos o estado da arte na modelagem da Matéria Escura no centro desses objetos e testamos, em especial, uma proposta de solução dos problemas da MOND: a inclusão de neutrinos massivos. Ao mesmo tempo que testamos a teoria MOND + v,fazemos uma análise critica de como os limites às massas de neutrino são obtidos a partir de aglomerados. / Clusters of galaxies are the largest structures in the universe in a quasi-equilibrium state, but, despite research efforts in the past decades, their structure and composition are still poorly understood. Recent theoretical and abservational advances in the understanding of these structures motivate the present research work. Our focus lies on the understanding of the non-luminous component af galaxy clusters. Specifically, we investigate an alternative gravitational theory named MOND, or Madified Newtonian Dynamics, which aims at replacing the dark matter (DM) paradigm, but presents problems when applied to the centers of galaxy clusters. We have reviewed and summarized the state of the art on the modeling of the dark matter in the centers of clusters of galaxies and tested a proposal of solution: the inclusion of massive neutrinos in the MOND scenario. Besides testing MOND + v, we have analised how limits are imposed on the neutrino mass via the study of clusters of galaxies.

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.

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-05-26T20:23:14Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Fábio_dos_Anjos.pdf: 2990406 bytes, checksum: 04cdb7488a4e004746579cdb6677d299 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-26T20:23:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação_Fábio_dos_Anjos.pdf: 2990406 bytes, checksum: 04cdb7488a4e004746579cdb6677d299 (MD5) / Um problema que temos na Física contemporânea é a discrepância entre a massa total observada no Universo e a massa total prevista pela Lei da gravidade de Newton ou de Einstein. Existem dois caminhos propostos para tentar explicar esse desvio da previsão teórica: i) existe uma distribuição de matéria não observada que gera os efeitos gravitacionais observados, a chamada matéria escura; ii) em determinado regime a lei da gravidade deve ser modificada para produzir os efeitos observados, são chamadas no geral de modificações da lei da gravidade de Newton ou de Einstein. Atualmente a proposta da existência da matéria escura é a mais aceita pela comunidade cientifica. Porém, mesmo após grandes investimentos ainda não foi observada de forma direta. Isso abre espaço à segunda proposta e neste trabalho mostramos que a modificação da lei de gravidade, mais especificamente através da gravidade entrópica, é possível deduzir a lei empírica de Tully-Fisher, muito bem estabelecida e que domina a dinâmica das galáxias, além de preservar a relatividade geral de forma particular. A gravidade entrópica é um modelo que descreve a gravidade como uma força entrópica, a gravidade não seria uma interação fundamental mediada por uma partícula de calibre (gráviton), mas um processo emergente, uma consequência probabilística da tendência de sistemas físicos em aumentar a sua entropia. A proposta utiliza as leis de informação embutidas no princípio holográfico e a termodinâmica. Atualmente é uma nova linha de pesquisa muito ativa. Nesta dissertação são estudadas as consequências desse modelo, sempre atrelado com os dados observacionais. / A problem that we have in contemporary physics is the mass discrepancy in the total universe between what is observed and what is inferred by Einstein’s or Newton’s law of gravity. There are two proposed ways that try to explain this deviation from theoretical prevision: i) there is a matter distribution not observed wich generates the observed gravitational effects, it’s the so called dark matter; ii) in determined regime the law of gravity must be modified to produce the observed effects, in general these are called mo- difications of Newton’s or Einstein’s laws of gravity. Nowadays the proposed existence of dark matter is the most accepted by scientific the community. Yet even after great investment there’s no direct observation of such matter, this substantiate the second proposal. In this work we show a modification of gravity, the entropic gravity, from which it’s possible to deduce the empirical Tully-Fisher law, a well established law in galaxy dynamics, and it still preserves general relativity in particular. The entropic gravity is a model wich describes gravity as an entropic force, in this scenario gravity is not a fundamental interaction mediated through a gauge particle (graviton), instead it’s an emergent fenomenon, a consequence from the probabilistic tendency for physical systems to raise their entropy. This proposal utilizes the laws of information embedded in the holographic principle and thermodynamics. It’s a very active new line of research. In this dissertation We show the concequences from this model, always in conjunction with observed data.

Orientador: Pedro Cunha de Holanda / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T10:31:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Miguez_BrunoSilvaRodriguez_D.pdf: 3341752 bytes, checksum: 929d02bdf7d42cd3826d597a0b6ceca8 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Uma das grandes fronteiras da física atual é a identificação da Matéria Escura, que seria responsável por cerca de 25% da densidade do universo. Diversos candidatos a Matéria Escura foram propostos, entre eles os WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle). A Colaboração Xenon tem como objetivo a detecção direta de matéria escura através de colisões elásticas com núcleos de xenônio, monitorados em uma câmara de projeção temporal. Os primeiros detectores da colaboração Xenon (Xenon10 e Xenon100) obtiveram grande sucesso impondo os limites mais restritivos para seção de choque WIMP-nucleon quando foram publicados seus resultados. Atualmente o terceiro detector da colaboração, o Xenon1T, está em construção e é esperado que ele verifique seções de choque até duas ordens de grandeza abaixo dos limites atuais. O Xenon1T possuirá um sistema de veto ativo, o Water Tank. A câmara de projeção temporal do Xenon1T será localizada dentro de um detector que busca, através da detecção de outros produtos, identificar nêutrons rápidos produzidos através da interação de múons com as rochas ou estrutura ao redor do detector. As paredes internas do Water Tank são cobertas com uma folha refletora DF2000MA para aumentar a captação de luz. Nesta tese foi estudada a taxa de eventos gerada pela resposta da folha DF2000MA à radioatividade do aço que compõe a estrutura do Water Tank e seu impacto no funcionamento do sistema de veto. A taxa destes eventos que gerariam um sinal no Water Tank seria da ordem de 10-4 Hz, muito abaixo da taxa de operação planejada para o Water Tank (? Hz), não sendo portanto um problema. Outro estudo realizado foi sobre o sinal gerado por neutrinos de supernovas através de espalhamento coerente com os núcleos. Supernovas próximas seriam responsável por menos de 10 eventos concentrados em poucos segundos, muito distintos do fundo esperado de recuos nucleares no Xenon1T, da ordem de 0.1 por ano. Sendo o sinal de uma supernova facilmente reconhecido durante a análise / Abstract: Actually an important frontier on physics is the Dark Matter identification. The Dark Matter is responsible for 80% Universe matter density on Universe. Different Dark Matter candidates have been proposed, among them the WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle). The Xenon Collaboration have as goal the direct detection of Dark Matter by observation of elastic scattering on xenon nuclei. The first two Xenon phases achieved great sucess with the most constraining limits on WIMP-nuclei cross section at publishing time. Today the third detector (Xenon1T) is under construction and it expect to probe cross section two orders below the actual limits. One big difficult to increase the detector mass is the signal to noise ratio. The Xenon detectors keep record of excitation and ionization energy ratio to discriminate between electronic recoils and nuclear recoils. WIMPs should cause nuclear recoil by coherent elastic scattering on atomic nuclei. The nuclear recoil selection allows a huge increase on sensibility, once the background rate due to nuclear recoil on Xenon1T is five orders lower than the eletronic recoil one. Neutrinos and neutrons can produce nuclear recoils mimicating the WIMP signal. The Xenon1T will have an active veto system, the Water Tank. The Xenon1T time projection chamber will be placed inside a water tank monitored by photomultipliers. It will detect subproducts of muon interactions on rocks around the detector and tag the nuclear recoil due to fast neutrons produced by muons. To increase the light capture in the internal walls of Water Tank will be covered by a reflective foil, the DF2000MA. We studied the event rate due to the DF2000MA response to the alpha radioactivity of structural steel and its impact on veto system. The rate of these events that would generate a signal in veto system obtained by us was around 10-4 Hz, much lower than the operational planned rate (? Hz). Then this response will not be a problem to veto system. Another study was about the supernova neutrinos signal on Xenon1T. Neutrinos can produce nuclear recoils by coherent elastic scattering, mimicating the WIMP signal. We obtained ? 10 events due to a supernova at 8.5 kpc. Furthermore these events would be concentrated in seconds, much different from the Xenon1T nuclear recoil background (? 0.1/year). Then the supernova neutrino signal would be easilly recognized on analysis level / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Rogério Rosenfeld / Co-orientador: Flávia Sobreira / Banca: José Geraldo Pereira / Banca: Marcos Vinicius Borges Teixeira Lima / Resumo: Neste trabalho revisaremos o formalismo do Modelo de Halos e suas aplicações. No Modelo de Halos, toda a matéria do universo está contida em objetos virializados de matéria escura, resultado de colapso gravitacional. A distribuição de matéria escura nesses halos e como eles estão distribuídos no universo são os principais elementos para caracterizá-los. Mostraremos a teoria que descreve o modelo de halos e testaremos sua eficácia comparando-a com simulações numéricas de formação de estrutura no universo, por meio do espectro de potência. Faremos também uma adaptação do modelo de halos para a matéria escura morna e mostraremos como esse tipo de matéria suprime a formação de estrutura do universo em pequenas escalas / Abstract: In this work we review the formalism of the Halo Model, and its applications. In the Halo Model all the matter of the universe is contained in virialized dark matter halos, as a result of gravitational collapse. The distribution of dark matter within these halos, and how they are distributed in the universe are the main features to caracterize them. We'll show the theory that describes the Halo Model and test is efficiency by comparing it to numerical simulations of structure formation in the universe, using the power spectrum. We'll also do an adaptation of Halo model to warm dark matter, and show how this type of matter supress the structure formation of the universe in small scales / Mestre

Orientador: Saulo Henrique Pereira / Resumo: Neste trabalho é construída a evolução completa do Universo impulsionada pelo espinor escuro com dimensão de massa um, chamado MDO. O modelo começa pela inflação cósmica, passando pela era dominada pela matéria escura, terminando com a recente expansão acelerada. Além disso, é feita uma primeira aproximação à teoria de perturbação escalar. Foi mostrado que a dinâmica do campo fermiônico MDO, respeitando um potencial com quebra de simetria, pode reproduzir todas as fases do Universo de uma maneira natural e elegante. As equações dinâmicas em geral e as condições de Slow-Roll, no limite H mp, também são apresentadas para o referido sistema. A análise numérica para o número de e-folds durante a inflação, densidade de energia após este período, o tempo presente e o tamanho real do Universo estão de acordo com o modelo padrão de cosmologia. Uma interpretação da fase inflacionária como resultado do princípio de exclusão de Pauli também é possível se o campo de MDO for tratado como um valor médio de seu análogo quântico / Doutor

Orientador: Julio Marny Hoff da Silva / Resumo: Teorias que violam as simetrias de Lorentz são de certa forma comumente encontradas na literatura. Com o estudo dos subgrupos do grupo de Lorentz, uma pergunta fica no ar. Será preciso todo o grupo de Lorentz para descrever as simetrias do espaço-tempo ou apenas um subgrupo já seria suficiente? Se isso for possível teríamos um teoria que violaria as simetrias de Lorentz e consequentemente outras peguntas surgem. Essa teoria serve para descrever a matéria bariônica ou outro tipo de matéria? Neste trabalho usaremos os grupos da very special relativity (VSR) que são subgrupos do grupo de Lorentz e tentaremos responder essas perguntas com base em cálculos e em experimentos largamente difundidos na literatura: o experimento de Michelson-Morley e o fenômeno da precessão de Thomas. Também discutiremos algumas consequências advindas de uma teoria quântica de campos que viola as simetrias de Lorentz. / Mestre