Thèses sur le sujet « Cosmologia teorica »

Tra le più promettenti sfide della Cosmologia moderna possiamo certamente annoverare la polarizzazione del fondo cosmico di microonde (CMB) e l’analisi multifrequenza delle emissioni extragalattiche. Da un lato, la polarizzazione della CMB permette di vincolare sempre meglio i parametri cosmologici e testare il modello standard. Dall’altro lato, lo studio dei dati nelle frequenze millimetriche e sub-millimetriche apre uno spiraglio all’indagine della distribuzione di materia su grande scala, con il fine di comprendere la formazione e l’evoluzione della Struttura su Larga Scala dell’Universo. Nel primo progetto descritto in questa tesi presentiamo lo studio di una delle anomalie su larga scala della CMB basato sulla correlazione angolare a due punti. Utilizziamo lo stato dell’arte dei dataset in polarizzazione: il primo è basato su una analisi del cross-spettro delle bande a 100 e 143 GHz del dataset Planck 2018. Il secondo dataset è costruito a partire dalle mappe Planck 2018 LFI e WMAP-9yr. Consideriamo il noto estimatore S1/2 , che misura la distanza della funzione di correlazione angolare da zero a scale più larghe di 60° e impieghiamo simulazioni realistiche per valutare gli intervalli di confidenza. Entrambe i dataseset mostrano un basso valore della funzione di correlazione per i modi E locali, similmente all’effetto osservato in temperatura. Questo risultato è maggiormente vincolato dal dataset Planck HFI 100×143, che è quello con minore rumore, e per cui la significatività dell’effetto si attesta attorno al 99.5%. Per ulteriori indagini, questo test potrà essere ripetuto su nuove generazioni di dati, ad esempio quelli di LiteBIRD, che saranno limitati solo dalla varianza cosmica a tutte le scale angolari. Nel secondo progetto presentato in questa tesi abbiamo sviluppato un codice per l’analisi dati progettato per le frequenze millimetriche e sub-millimetriche. Con un unico modello fittiamo i dati del South Pole Telescope (SPT) e dell’esperimento Herschel/SPIRE. Il formalismo sviluppato descrive l’emissione delle galassie radio, l’effetto Sunyaev Zeldovich termico (tSZ) e cinetico (kSZ), il fondo cosmico infrarosso (CIB) sia nella sua componente di clustering che poissoniana. Abbiamo usato un modello ’ad alone’ per descrivere il clustering della materia oscura, unito a una funzione di ’distribuzione di occupazione dell’alone’ per parametrizzare lo spettro di potenza delle galassie. Nell’analisi variamo i cosı̀ detti parametri di clustering, cioè la massa minima dell’alone e l’indice che regola l’accrescimento delle galassie sullo stesso. Abbiamo considerato due popolazioni di galassie chiamate early e late type. Il parametro chiave nella modellizzazione del tSZ è il bias idrostatico, che dipende fortemente dalla cosmologia e contiene le incertezze che abbiamo nella determinazione della massa dell’ammasso di galassie che produce il tSZ. Con la nostra analisi abbiamo migliorato i vincoli sui parametri di clustering sia della popolazione early che late type, trovando che quest’ultima è ospitata in aloni meno massivi rispetto alla popolazione early type. Otteniamo una massa minima di 10^12.5 [M/h] e 10^11.4 [M/h] per la popolazione early e late type rispettivamente quando fittiamo i dati SPIRE. Troviamo, inoltre, valori del bias idrostatico, b = 0.57±0.16, più alti di quelli trovati da Planck, sebbene l'ampiezza dello spettro del tSZ ottenuta con questi valori di b sia in linea con precedenti analisi su mappe SPT. Deriviamo anche vincoli più stringenti sull’ampiezza del kSZ rispetto alla letteratura precedente, A(kSZ) < 3.7 at 99% C.L., e indaghiamo la sua degenerazione con la correlazione tSZ-CIB. I dataset con cui questi risultati sono stati ottenuti rappresentano lo stato dell’arte a queste frequenze ed il nostro codice sarà di grande utilità quando nuovi dataset saranno disponibili, a partire da quelli del Simons Observatory, CMB-Stage 4 e CONCERTO.
Among the most promising topics in Cosmological investigation we can certainly consider the polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) and the multiwavelength analysis of extragalactic emissions. On one side, CMB polarization allows to better constrain the cosmological parameters and to test the standard model. On the other hand, the study of millimeter and submillimeter data opens the door for investigation of the matter distribution on large scales in order to understand the formation and evolution of the Large Scale Structure. In the first project described in this thesis we present an assessment of the large-scale CMB anomalies in polarisation using the two-point correlation function as a test case. We employ the state of the art of large scale polarisation datasets: the first based on a Planck 2018 HFI 100 and 143 GHz cross-spectrum analysis, relying on SRoll2 processing, and the second from a map-based approach derived through a joint treatment of Planck 2018 LFI and WMAP-9yr. We consider the well-known S 1/2 estimator, which measures the distance of the two-point correlation function from zero at angular scales larger than 60 ◦ , and rely on realistic simulations for both datasets to assess confidence intervals. We find that both datasets exhibit a lack-of-correlation anomaly in local E−modes, similar to the one observed in temperature, which is better constrained by the less noisy Planck HFI 100×143 data, where its significance lies at about 99.5%. The analysis has been carried out with the best datasets currently available at large angular scales, which are however limited by the still significant amount of noise in polarisation observations. This issue will be hopefully overcome by the advent of new data, such as those from LiteBIRD, which are expected to be cosmic variance limited at all scales. In the second project presented in this thesis we developed a tool for data analysis designed for the millimeter and sub-millimeter wavelength datasets. We fit with a unique model data from the South Pole Telescope and the Hershel/SPIRE experiment. Our formalism describes the emission of radio galaxies, the thermal Sunyaev Zeldovich (tSZ) effect, the kinetic Sunyaev Zeldovich (kSZ) effect and the Cosmic Infrared Background (CIB) clustered and Poisson contribution. We use a halo model approach to describe the clustering of dark matter together with a halo occupation distribution model to parametrize the galaxy power spectrum. We fit for the so-called clustering parameters, i.e. minimum mass of the hosting halo and the index regulating the accretion of galaxies in the halo outskirts. We consider two populations of galaxies: early and late-type populations. The key parameter in modelling the tSZ is the hydrostatic mass bias, which strongly depends on cosmology and contains all the uncertainties we have in the determination of the SZ clusters mass. With our analysis we improve the constraints on the clustering parameters of the late-type population, finding that it is hosted in less massive structures with respect to the early-type one. We obtain a minimum mass of 10^12.5 [M/h] and 10^11.4 [M/h] for the early and late-type population respectively, when fitting for SPIRE data. For both datasets we find values of the hydrostatic mass bias, b = 0.57 ± 0.16, higher than those found by Planck, although the amplitude of the tSZ power spectrum obtained with this value of b is in line with the findings of previous SPT analysis. We also kSZ derive a more severe constraint on the amplitude of the kSZ with respect to previous literature, i.e. A(kSZ) < 3.7 at 99% C.L., and investigate its degeneracy with the tSZ-CIB correlation. These results are obtained using the state of the art data available but our tool will be of great utility in the analysis of future datasets, such as the Simons Observatory, CMB-Stage 4 and CONCERTO.

Among modified theories of gravitation, f (R) theories are possibly the most straightforward and “natural” purely geometric extension of GR. The first appearance of modified gravity theories dates back to the 1920’s [1, 2], although their relevance and popularity vastly increased about 40 years ago, when pioneering works [3–5] showed the possibility of generating the early inflationary period with quadratic theories, which arise naturally from quantum corrections in curved spacetime. After the discovery of the cosmic acceleration [6–9], new life was infused into f (R) theories, sparked by the early works [10–14]. These models were soon realised to suffer from severe instabilities [15, 16], because the additional scalar degree of freedom acquires an imaginary mass. During the following years, an impressive amount of work was directed to determining the cosmological viability conditions of f (R) models [17–26]. Clearly, despite the conceptual simplicity of f (R) theories, the additional dynamics and the higher-order equations make it difficult – and fun – to come up with “good” models to model dark energy. Furthermore, these models must be tested in a variety of cosmological and astrophysical situations, and may lead to important detectable signatures which could in principle be observed soon. As important as inventing new models is, finding new ways to constrain and even exclude them is no smaller task. It is believed that f (R) models can be considered as low-energy phenomenological limits of some more fundamental theory such as string theory, etc. [27–29]. Every step towards the “right” f (R) model may very well be a step towards the “right” theory of quantum gravity, so there is no overestimating the relevance of any result in this direction. This has been precisely the intent of my work. Chapter 1 is devoted to introducing the vacuum energy problem. After a brief review of the standard cosmological scenario and of the main observational indications for a vacuum energy component, I present a few of the most important theoretical models proposed to explain the cosmic acceleration, from both the modified matter (dark energy) and modified gravity standpoints. In Chapter 2, I study the radiation-dominated epoch in R + R2 gravity, discussing the modified curvature dynamics analytically and numerically. The curvature scalar exhibits fast oscillations around some power-law behaviour which may or may not correspond to the standard GR solution. These curvature oscillations are however damped due to gravitational particle production effects, so that eventually the solutions relax to the GR ones, but with an additional relic density of gravitationally produced particles which can in principle give some imprint on the cosmological evolution and perhaps even make up an effective mechanism to produce dark matter. In Chapter 3, I investigate the formation of curvature singularities inside astronomical contracting systems within the framework of two recently proposed f (R) models [30, 31], studying the problem analytically and comparing my estimates with exact numerical results. I show that such infinite-R, finite-r singularities can arise in a number of physically reasonable systems, and derived the time scales for this to happen. Naturally, as R approaches infinity, one expects high-curvature effects to come into play. In Chapter 4, I study the curvature evolution in the models [30, 31] with the addition of an R2 term (irrelevant for cosmology, but important for large R). I show that this term prevents the formation of the curvature singularity while still allowing R to reach very large values, and in turn may lead to strong particle production. I calculate the particle production rate, which depends on both physical properties of the system and on model parameters. These high-energy cosmic rays could in principle be detectable and, if observed, would represent a unique model-dependent signature. Some unexplained features in the cosmic ray spectrum, e.g. the so-called “ankle” [32–35], might find a fascinating explanation in this framework. In Chapter 5, I discuss another interesting and unexpected consequence of these high-R solutions, namely the possibility of gravitational repulsion in contracting systems. The modified Einstein equations lead to new solutions for the metric in spherically symmetric systems, and the new geodesic equation for a test particle essentially shows repulsive behaviour if curvature is large compared to its GR value. The phenomenology of such an antigravitational behaviour, which has not been fully explored yet, is probably rather interesting and may lead to additional interesting discoveries. riferimenti bibliografici [1] H. Weyl, Annalen Phys. 59, 101 (1919). [2] A. S. Eddington, The Mathematical Theory of Relativity (Cambridge University Press, 1923). [3] V. T. Gurovich and A. A. Starobinsky, Sov.Phys.JETP 50, 844 (1979). [4] A. A. Starobinsky, JETP Lett. 30, 682 (1979). [5] A. A. Starobinsky, Phys.Lett. B91, 99 (1980). [6] A. G. Riess et al. (Supernova Search Team), Astron.J. 116, 1009 (1998), arXiv:astro-ph/9805201 [astro-ph] . [7] S. Perlmutter et al. (Supernova Cosmology Project), Nature 391, 51 (1998), arXiv:astro-ph/9712212 [astro-ph] . [8] S. Perlmutter et al. (Supernova Cosmology Project), Astrophys.J. 517, 565 (1999), arXiv:astro-ph/9812133 [astro-ph] . [9] A. G. Riess et al. (Supernova Search Team), Astrophys.J. 607, 665 (2004), arXiv:astro-ph/0402512 [astro-ph] . [10] S. Capozziello, Int.J.Mod.Phys. D11, 483 (2002), arXiv:gr-qc/0201033 [gr-qc] . [11] S. Capozziello, S. Carloni, and A. Troisi, Recent Res.Dev.Astron.Astrophys. 1, 625 (2003), arXiv:astro-ph/0303041 [astro-ph] . [12] S. Capozziello, V. Cardone, S. Carloni, and A. Troisi, Int.J.Mod.Phys. D12, 1969 (2003), arXiv:astro-ph/0307018 [astro-ph] . [13] S. M. Carroll, V. Duvvuri, M. Trodden, and M. S. Turner, Phys.Rev. D70, 043528 (2004), arXiv:astro-ph/0306438 [astro-ph] . [14] S. Nojiri and S. D. Odintsov, Phys.Rev. D68, 123512 (2003), arXiv:hepth/ 0307288 [hep-th] . [15] A. Dolgov and M. Kawasaki, Phys.Lett. B573, 1 (2003), arXiv:astroph/ 0307285 [astro-ph] . [16] V. Faraoni, Phys.Rev. D74, 104017 (2006), arXiv:astro-ph/0610734 [astroph] . [17] S. Carloni, P. K. Dunsby, S. Capozziello, and A. Troisi, Class.Quant.Grav. 22, 4839 (2005), arXiv:gr-qc/0410046 [gr-qc] . [18] T. Clifton and J. D. Barrow, Phys.Rev. D72, 103005 (2005), arXiv:grqc/ 0509059 [gr-qc] . [19] M. Abdelwahab, S. Carloni, and P. K. Dunsby, Class.Quant.Grav. 25, 135002 (2008), arXiv:0706.1375 [gr-qc] . [20] L. Amendola, R. Gannouji, D. Polarski, and S. Tsujikawa, Phys.Rev. D75, 083504 (2007), arXiv:gr-qc/0612180 [gr-qc] . [21] L. Amendola and S. Tsujikawa, Phys.Lett. B660, 125 (2008), arXiv:0705.0396 [astro-ph] . [22] I. Sawicki and W. Hu, Phys.Rev. D75, 127502 (2007), arXiv:astroph/ 0702278 [astro-ph] . [23] J. C. de Souza and V. Faraoni, Class.Quant.Grav. 24, 3637 (2007), arXiv:0706.1223 [gr-qc] . [24] S. Tsujikawa, Phys.Rev. D77, 023507 (2008), arXiv:0709.1391 [astro-ph] . [25] B. Li and J. D. Barrow, Phys.Rev. D75, 084010 (2007), arXiv:gr-qc/0701111 [gr-qc] . [26] R. Bean, (2010), arXiv:1003.4468 [astro-ph.CO] . [27] N. Birrell and P. Davies, Quantum Fields in Curved Space (Cambridge University Press, Cambridge, 1982). [28] I. Buchbinder, S. Odintsov, and I. Shapiro, Effective Action in Quantum Gravity (IOP Publishing, Bristol, 1992). [29] G. Vilkovisky, Class.Quant.Grav. 9, 895 (1992). [30] W. Hu and I. Sawicki, Phys.Rev. D76, 064004 (2007), arXiv:0705.1158 [astro-ph] . [31] A. A. Starobinsky, JETP Lett. 86, 157 (2007), arXiv:0706.2041 [astro-ph] . [32] R. Abbasi et al. (High Resolution Fly’s Eye Collaboration), Phys.Lett. B619, 271 (2005), arXiv:astro-ph/0501317 [astro-ph] . [33] R. Abbasi et al. (HiRes Collaboration), Phys.Rev.Lett. 100, 101101 (2008), arXiv:astro-ph/0703099 [astro-ph] . [34] Y. Tsunesada (Telescope Array Collaboration), (2011), arXiv:1111.2507 [astro-ph.HE] . [35] P. Abreu et al. (Pierre Auger Collaboration), (2011), arXiv:1107.4809 [astro-ph.HE] .

In questa tesi studiamo soluzioni di teoria di stringa da diversi punti di vista. Iniziamo dal Capitolo 1, con un'introduzione alle principali idee proprie delle varie teorie di stringa, concentrandoci in particolare sulle loro descrizioni a bassa energia, le teorie di supergravità. Discutiamo gli ingredienti principali delle teorie di supergravità derivate dalle stringhe e presentiamo le loro soluzioni classiche corrispondenti agli oggetti fisicii che useremo nel resto della tesi. Nel capitolo 2, iniziamo lo studio di soluzioni non supersimmetriche della teoria delle stringhe, costruendo esplicitamente spazi Anti de Sitter (AdS) otto dimensionali come soluzioni delle equazioni del moto della supergravità IIA massiva. Come di consueto per soluzioni non supersimmetriche, siamo in grado di risolvere l'intero sistema di equazioni del moto solo numericamente. Utilizzando questi metodi troviamo soluzioni AdS_8 con uno spazio interno compatto che ha la topologia di una due-sfera con un orientifold plane (O8) al suo equatore. Nel capitolo 3 estendiamo il nostro studio di soluzioni non spersimmetriche con la ricerca di vuoti con costante cosmologica positiva. In particolare troviamo soluzioni de Sitter (dS) quattro dimensionali delle equazioni del moto della supergravità IIA massiva. Alcune di queste soluzioni coinvolgono gli stessi orientifold plane presenti nei vuoti AdS_8, che appaiono nell'approssimazione di supergravità come una particolare singolarità. Analizziamo quindi questa singolarità nel dettaglio, prima di spostarci sullo studio di soluzioni dS_4 con un diverso orientifold plane (O6). L'apparizione di orientifold plane in soluzioni classiche de Sitter delle teorie di supergravità è necessario per evadere un famoso teorema di impossibilità, che si applica anche alle soluzioni AdS_8 descritte nel Capitolo 2. Per questo motivo, lo analizziamo in questo particolare scenario all'inizio di tale capitolo. Infine, nel Capitolo 4 cambiamo la nostra propspettiva e usiamo la supergravità come uno stumento per studiare la fisica dei flussi del Gruppo di Rinormalizzazione (RG). In particolare, usando alcuni ingredienti noti, assembliamo una teoria di supergravità sette dimensionasle e la usiamo per costruire i duali olografici dei flussi RG tra teorie di campo sei dimensionali superconformi. La nostra costruzione è capace di identificare correttamente la fisica di questi flussi RG confermando, dal punto di vista gravitazionale, una congettura presente nella letteratura riguardante i flussi RG ammessi tra queste teorie sei dimensionali.
In this thesis we study solutions of string theories from different perspectives. We start in Chapter 1 with an introduction to the main ideas of string theory, focusing in particular on its low-energy description in terms of supergravity theories. We discuss the main ingredients of the supergravity theories derived from strings and we present their classical solutions corresponding to the physical objects we will use in the rest of the thesis. In Chapter 2 we begin the study of non-supersymmetric backgrounds of string theory, by building explicit eight-dimensional Anti de Sitter (AdS) solutions of massive type IIA supergravity. As is common for non-supersymmetric solutions, we are only able to solve the full set of equations of motion numerically. With these methods, we find AdS_8 solutions with a compact internal space having the topology of a two-sphere, with an orientifold plane (O8) sitting at its equator. In Chapter 3, we extend our study of non-supersymmetric solutions by looking for backgrounds with a positive cosmological constant. In particular, we find numerical four-dimensional de Sitter (dS) solutions of massive type IIA supergravity. Some of these solutions involve the same orientifold plane featuring in the AdS_8 backgrounds, which appears a particular singularity in the supergravity approximation. We analyze this singularity in detail before moving on and studying dS_4 solutions with a different orientifold plane (O6). The appearance of orientifold planes in classical de Sitter solutions of supergravity theories is required in order to evade a famous no-go theorem, which also applies to the AdS_8 solutions we describe in Chapter 2. For this reason, we review it in our particular setting at the beginning of the same chapter. Finally, in Chapter 4 we change our perspective and we use supergravity as a tool to study the physics of the Renormalization Group (RG) flows. In particular, by using known building blocks, we assemble a seven-dimensional gravitational theory and we use it to construct the holographic duals of RG flows between six-dimensional superconformal field theories. Our construction is able to correctly characterize the physics of these RG flows by confirming, from the gravitational point of view, a conjecture on the literature regarding the allowed RG flows between these six-dimensional theories.

Apresentamos neste trabalho uma generalização da teoria de perturbações cosmológicas para o caso de universos homogêneos e anisotrópicos, caracterizados por um espaço-tempo do tipo Bianchi I. Como aplicação da teoria, investigamos as conseqüências de uma fase inflacionária e anisotrópica do universo dos pontos de vista clássico e quântico. Após uma discussão da evolução do espaço-tempo de fundo nós quantizamos os modos perturbativos para, em seguida, construir o espectro de potências das perturbações de curvatura e de ondas gravitacionais do fim da inflação. Nossos resultados mostram que as principais características de uma fase anisotrópica primordial do universo são: (1) dependência direcional dos espectros de potências, (2) acoplamento entre as perturbações de curvatura e as ondas gravitacionais e (3) espectros distintos para as diferentes polarizações das ondas gravitacionais em grandes escalas cosmológicas. Todos esses efeitos são importantes apenas em grandes escalas cosmológicas e, localmente, recuperamos a teoria isotrópica de perturbações cosmológicas. Nossos resultados dependem de uma escala característica que pode, embora não seja estritamente necessário, ser ajustada a alguma escala observável.
In this work we generalize the standard theory of cosmological perturbations to the case of homogeneous and anisotropic universes described by a Bianchi I spacetime metric. As an application of this theory we investigate the predictions of an inflationary anisotropic phase, both at the classical and quantum level. After discussing the evolution of the background spacetime, we solve and quantize the perturbation equations in order to predict the power spectra of the curvature perturbations and gravity waves at the end of inflation. Our results show that the main features of an early anisotropic phase are: (1) a dependence of the spectra on the direction of the modes, (2) a coupling between curvature perturbations and gravity waves, and (3) the fact that the two gravity waves polarisations do not share the same spectrum on large scales. All these effects are significant only on large scales and die out on small scales where isotropy is recovered. Finally, our results depend on a characteristic scale that can, but a priori does not have to, be tuned to some observable scale.

O advento da cosmologia observacional tem nos levado à conclusão de que apenas 4% do Universo é constituído pela matéria conhecida (bárions). Por outro lado 23% correspondem à matéria escura não bariônica, enquanto o domínio da dinâmica cósmica foi legado à, assim chamada, energia escura (geralmente considerada um tipo de fluido), correspondendo a 73% da densidade de energia de todo o cosmos. Nos últimos anos, surgiram muitas propostas para tal fluido, paralelamente desenvolvem-se teorias de gravitação alternativas à Relatividade Geral (RG) no intuito de nos levar a uma melhor compreensão das leis físicas. No presente trabalho revisamos fluidos que nos permitem obter modelos com expansão acelerada através da parametrização de suas equações de estado, onde a constante cosmológica é um caso particular. A seguir apresentamos as bases da teoria de gravitação de M. Visser, uma teoria alternativa que admite a hipótese de grávitons massivos em contraponto à RG. Em sua teoria, Visser acrescenta uma métrica de fundo não dinâmica que entra na construção do tensor responsável pela inserção da massa do gráviton. No limite não relativístico, o potencial não é mais Newtoniano, mas sim do tipo Yukawa. Estudos do movimento planetário no sistema solar, utilizando um potencial desse tipo, nos levam ao limite mg < 10-54 g. No regime radiativo, grávitons massivos implicam na dispersão das ondas gravitacionais e surgem estados de polarização adicionais que não encontramos na RG. Dessa forma, as futuras detecções da radiação gravitacional constituem-se novos testes para a RG e teorias alternativas. Nossas análises nos mostram a possibilidade de impor limites para a massa do gráviton através do modelo cosmológico resultante dessa teoria bimétrica que estejam em concordância com os dados observacionais. Mesmo com um gráviton com massa aparentemente desprezível, nosso intuito é mostrar que a teoria pode nos levar a um modelo cosmológico consistente que explique os atuais dados observacionais sem a necessidade de energia (e talvez de matéria) escura.
The advent of observational cosmology has led us to conclude that only 4% of whole Universe is composed by known matter (baryons). On the other hand 23% comes from a kind of non barionic dark matter. Moreover the cosmic dynamics is almost fully dominated by the so called dark energy (usually considered a kind of fluid), which corresponds to 73% of the energy density of the cosmos. In the last years, a lot of proposals arises in order to explain such a fluid, while many alternative gravitational theories have been developed aiming to lead us to know more about the physics laws. In this work we review a parametric equation of state of such fluids, which imply on models with accelerated expansion where the cosmological constant is a particular case. We then present the gravitational theory proposed by M. Visser. Such alternative theory assumes that the graviton is massive. In his theory, Visser uses a non-dynamic background metric in order to construct a tensor, which is necessary to take in account a massive graviton. In the non-relativistic limit, the potential is non-Newtonian, it is instead Yukawian. Some studies about orbital motions in the solar system (using this kind of potential) give an upper limit to the graviton mass of mg < 10-54 g. Under the radiative regime, massive gravitons produce dispersive gravitational waves and introduce new polarization states which are not found in the GR. So, future detections of gravitational radiation will offer new tests to GR and to the alternative theories of gravity. In particular, our results show the possibility to constrain the graviton mass through a cosmological model that results from this bimetric theory. Although the graviton has an apparently negligible mass, our aim is to show that the theory may lead us to a consistent cosmological model, which explains the current observational data without dark energy (and maybe without dark matter).

The inflationary paradigm represents a fascinating and elegant way of explaining crucial cosmological phenomena; moreover it is remarkably in agreement with current cosmological observations. However we are still blind to many aspects of the physics encoded in such a process and an unequivocal probe of such a mechanism is still lacking. On the other hand inflation suggests the solution to current open cosmological questions, as the observation of magnetic fields in the intergalactic medium. In order to investigate in depth the inflationary mechanism, one possibility is offered by the new era of gravitational wave detectors. In the first part of the thesis we focus on this aspect of the inflationary epoch. Any inflationary model predicts the production of a stochastic gravitational wave background (tensor modes) due to quantum fluctuations of the gravitational field. Moreover, in some scenarios, the presence of additional fields besides the inflaton and the gravitational field gives rise to efficient sources of gravitational waves, activating the so-called classical production. Inflationary gravitational wave signals turn out to represent a unique and exciting window on the origin and evolution of the universe, and a possibility of investigating the underlying theory of gravity. We point out the significant role of primordial gravitational waves in testing the inflationary mechanism itself and in constraining many aspects of the inflationary physics, exploiting the validity/violation of an inflationary consistency relation. Being inflationary gravitational waves a promising way of exploring many aspects of the physics of the early universe, we provide an updated picture of the current status and the observational prospects of inflationary tensor modes, with a particular focus on the possibility of a direct gravitational wave detection offered by current and upcoming laser interferometer detectors. Then we perform a dedicated forecast analysis of the capabilities of the LISA (Laser Interferometer Space Antenna) experiment in probing the inflationary physics. In particular, the capabilities of LISA in measuring a stochastic gravitational wave background are presented. Furthermore, we calculate the gravitational wave signal expected at the LISA frequencies for a number of selected inflationary models. We collect and re-elaborate current limits on the present time gravitational wave spectral energy density, and the sensitivity curves of LISA and other experiments, in order to outline current and expected constraints on the parameter space of the selected inflationary models. The results we find show the efficiency of the method, suggesting an exciting direction in order to investigate inflationary physics and a validation of the significant science that can be done by an experiment as LISA. In the second part of the thesis another interesting aspect of the inflationary mechanism is considered, i.e. the possibility of a significant magnetogenesis. Gamma-ray observations from blazars point out the presence of magnetic fields in the intergalactic medium, where no charged plasma are present. This fact suggests a primordial origin of such fields. Interestingly, the inflationary mechanism provides a fascinating way of explaining the presence of magnetic fields at cosmological scales. In a dedicated section, the main models of inflationary magnetogenesis are outlined. A common aspect of these models is the associated overproduction of curvature and tensor perturbations with respect to single-field slow-roll inflation. In general, observational constraints obtained by CMB measurements on such quantities lead to relevant restrictions on the associated production of magnetic fields. Other limits are provided by keeping under control the backreaction of the electromagnetic fields. In particular, we consider the case proposed from Caprini, where a magnetogenesis mechanism able to explain current gamma-ray observations and to start the galactic dynamo takes place. We calculate the correction to the scalar spectrum and bispectrum (the latter related to primordial non-gaussianities) with respect to single-field slow-roll inflation generated in such a scenario. We find that the strongest constraints on the model originate from the non-observation of a scalar bispectrum of CMB anisotropies. Nevertheless, we found that even when those stringent constraints are taken into consideration, that scenario provides a robust explanation of the observed magnetic fields for a reasonably high energy scale of inflation.
Il paradigma inflazionario rappresenta una modo affascinante ed elegante di spiegare alcuni cruciali fenomeni cosmologici; inoltre risulta in notevole accordo con le attuali osservazioni cosmologiche. Tuttavia, diversi aspetti della fisica di tale processo risultano ancora oscuri e una prova inequivocabile di tale meccanismo è ancora assente. Dall'altro lato, il meccanismo inflazionario si presenta come soluzione di problemi cosmologici ancora aperti, come l'osservazione di campi magnetici nel mezzo intergalattico. Per studiare in profondità il meccanismo inflazionario, una possibilità è offerta dalla nuova epoca di esperimenti per l'osservazione di onde gravitazionali. La prima parte della tesi è focalizzata su tale aspetto della fisica inflazionaria. Ciascun modello inflazionario predice la produzione di un fondo stocastico di onde gravitazionali (modo tensoriali) dovuti alle fluttuazioni quantistiche del campo gravitazionale. Inoltre, in alcuni scenari, la presenza di ulteriori campi oltre all'inflatone e al campo gravitazionale, genera efficaci sorgenti di onde gravitazionali, attivando la produzione classica. Il segnale di onde gravitazionali inflazionarie si rivela essere una unica e interessante finestra sull'origine e l'evoluzione dell'universo, e la possibilità di investigare la sottostante teoria della gravità. Nella tesi è mostrato il ruolo significativo delle onde gravitazionali primordiali nel testare il meccanismo inflazionario in sè e nel provare diversi aspetti della fisica inflazionaria, sfruttando la validità/violazione di una relazione di consistenza. Essendo le onde gravitazionali inflazionarie, un modo promettente di esplorare diversi aspetto della fisica dell'universo primordiale, è inoltre fornito un quadro aggiornato dello stato attuale e delle prospettive di osservazione dei modi tensoriali inflazionari, con una focalizzazione particolare sulla possibilità di osservazione diretta offerta dagli interferometri laser. Successivamente, sono esposte delle previsioni sulle possibilità offerte dell'interferometro spaziale LISA rispetto al testare la fisica inflazionaria. Nella seconda parte della tesi viene descritto un altro aspetto interessante della fisica inflazionaria, ovvero la possibilità di una significativa magnetogenesi. Le osservazioni di raggi gamma dai blazars indicano la presenza di campi magnetici nel mezzo intergalattico, dove non è presente plasma carico. Questo fatto suggerisce un'origine primordiale di tali campi magnetici. E' interessante notare che il meccanismo inflazionario fornisce un affascinante modo di spiegare la presenza di campi magnetici a scale cosmologiche. In una sezione dedicata, sono mostrati i principali modelli di magnetogenesi inflazionaria. Un aspetto comune di tale modelli è una sovra produzione di perturbazioni di curvatura e tensoriali, rispetto al modello inflazionario di single-field slow-roll. In generale, i limiti osservativi ottenuti da misurazioni di CMB su tali quantità comportano restrizioni significative sulla produzione di campi magnetici associata. Altri limiti sono imposti dal controllo della backreaction dei campi elettromagnetici. In particolare, nella tesi viene considerato il modello proposto da Caprini, in cui ha luogo una magnetogenesi in grado di spiegare le attuali osservazioni dei raggi gamma e di dare inizio al processo di dynamo galattica. Viene calcolata la correzione allo spettro e bispettro degli scalari rispetto al caso di single-field slow-roll, in tale scenario. Il risultato mostra come le restrizioni più forti siano dovute alla non osservazione di un bispettro degli scalari nelle anisotropie della CMB. Ciò nonostante, si conclude che anche quando tali restrizioni vengono prese in considerazione, lo scenario inflazioanrio in esame fornisce una robusta spiegazione dei campi magnetici osservati per una ragionevolmente alta scala di energia dell'inflazione.

Orientador: Saulo Henrique Pereira
Banca: Elias Leite Mendonça
Banca: Luiz Cleber Tavares de Brito
Resumo: O campo espinorial ELKO associado às partículas de matéria de spin 1/2 e dimensão de massa 1, construídos em um conjunto completo de autoespinores de helicidade dual do operador conjugação de carga, é um canditado a descrever a matéria escura. Devido a sua natureza, possui diversas aplicações cosmológicas. Neste trabalho, o estudo de tais espinores é realizado sob universo de Friedmann-Robertson-Walker plano, homogênio e isotrópico. À luz da Teoria Quântica de Campos em Espaços-Tempo Curvos, com as transformações de Bogoliubov, obteve-se a densidade de partículas criadas em uma métrica modelo de regime assintóticamente plano no passado e no futuro, permitindo-se comparar com soluções exatas presentes na literatura para produção de partículas escalares e férmions de Dirac. Discute- se, também, a compatibilidade do fenômeno de criação de partículas provenientes da Teoria Quântica de Campos em Espaço Curvos com os estudos de Prigogine para descrição deste fenômeno à escala cosmológica, considerando-se um universo termodinamicamente aberto
Abstract: The ELKO spinor field associated with spin 1/2 particles and mass dimension 1, con- structed on a complete set of dual helicity eigenspinors of the charge conjugation operator, is a candidate for describing dark matter. Due to its nature, it has several cosmological applications. In this work, the study of such spinors is performed under a homogenous and isotropic Friedmann-Robertson-Walker universe. In the light of the Quantum Field Theory in Curved Space-Time, with the Bogoliubov transformations, we obtained the density of particles created in a model of asymptotically plane metric in the past and in the future, allowing to compare with exact solutions present in the literature for the production of scalar particles and Dirac fermions. It is also discussed the compatibility of the phenomenon of particle creation from the Quantum Field Theory in Curved Space with the studies of Prigogine to describe this phenomenon at the cosmological scale, considering a thermodynamically open universe
Mestre

O efeito Sunyaev-Zel\'dovich (ESZ) é uma das mais promissoras técnicas de investigação cosmológica envolvendo os aglomerados de galáxias e a radiação cósmica de fundo (RCF). Tal efeito é uma modificação no espectro planckiano da RCF devido à interação dos fótons com os elétrons energéticos que permeiam o meio intra-aglomerado. Nesta tese de doutorado, vinculamos alguns parâmetros cosmológicos e investigamos a estrutura dos aglomerados de galáxias. Para tal, consideramos amostras de aglomerados para os quais existem medidas conjuntas do ESZ e do brilho em Raios-X. Duas amostras são consideradas, a saber: os 25 dados compilados por de De Filippis et al. (2005), na qual os aglomerados são descritos por modelos isotérmicos (esférico e elíptico), e os 38 dados da amostra de Bonamente et al. (2006) que utilizam um modelo esférico, não isotérmico. Inicialmente, nós investigamos as implicações das diferentes descrições na obtenção do parâmetro de Hubble, $H_0$, no contexto do modelo $\\Lambda$CDM plano e em cosmologias mais gerais, como o $XCDM$ plano e $\\Lambda$CDM com curvatura. Os resultados dependem da amostra e das hipóteses subjacentes. Mostramos que a análise conjunta envolvendo o ESZ/Raios-X de aglomerados, as oscilações acústicas dos bárions e o parâmetro de desvio ({\\it shift parameter}) constituem uma técnica interessante para se determinar $H_0$ e que seu valor depende apenas fracamente da curvatura e do parâmetro da equação de estado da energia escura. Analisando as diversas amostras, nós obtemos também que a descrição elíptica de De Filippis et al. (2005) é a que melhor se ajusta com medidas independentes da física de aglomerados. Posteriormente, utilizando dados de aglomerados (ESZ/Raios-X) e adotando uma des\\-crição puramente cinemática do Universo, obtemos que a probabilidade do parâmetro de desaceleração ser negativo é de 92\\% para a amostra de Bonamente et al. (2006) e de 72\\% para o caso elíptico De Filippis et al. (2005). Ainda nesta linha, simulando os resultados dos vários mapeamentos de Sunyaev-Zeldovich que estão em andamento, discutimos a capacidade dessa técnica (em combinação com dados de Raios-X de aglomerados) para vincular parâmetros cosmológicos. Por outro lado, considerando que a obtenção das distâncias de diâmetro angular de aglomerados pela técnica do ESZ/raios-X depende da relação de dua\\-lidade, investigamos as conseqüências desta dependência de duas formas distintas: (i) testando a consistência entre a validade estrita da relação no modelo de concordância cósmica e as suposições utilizadas para descrever os aglomerados, e (ii) Considerando distâncias independentes (luminosidade e diâmetro angular) obtidas das supernovas Ia e dos aglomerados de galáxias, nós propomos um novo teste para a relação de dualidade que além de auto-consistente é independente de modelo cosmológico. Finalmente, para este teste, discutimos também influência dos diferentes tipos de ajuste das curvas de luz de supernovas. Nossos vínculos para $H_0$ e as conseqüências estatísticas baseadas na relação de dualidade, fornecem uma nova evidência de que a verdadeira geometria dos aglomerados tem uma forma elíptica. Tais resultados também reforçam o interesse pela pesquisa observacional de SZE e de raios-X de aglomerados em moderados e altos {\\it redshifts}.
The so-called Sunyaev-Zeldovich effect (SZE) is one of the most promising techniques for cosmological investigations involving galaxy clusters and the cosmic background radiation (CMB). Such an effect is a modification of the Planckian spectrum due to the interaction between the CMB photons and the hot electrons filling the intracluster medium. In this PhD thesis, we constrain some cosmological parameters and investigate the structure of galaxy clusters based on some samples for which the cluster are endowed with simultaneous measurements of SZE and X-ray surface brightness. Two different samples of galaxy clusters are considered, namely: the 25 data compiled by De Fillippis et al. (2005), and the 38 data sample of Bonamente et al. (2006), based on the non-isothermal spherically symmetric model. Initially, we constrain the value of the Hubble parameter, $ H_0 $, by taking into account the different assumptions underlying the galaxy cluster samples in the context of a flat $\\Lambda$CDM model, as well as, for more general cosmologies like the flat XCDM model and $\\Lambda $CDM with curvature. The results depend on the model assumptions and samples. It is also found that a joint analysis involving ESZ/Raios-X of clusters, the baryon acoustic oscillations (BAO) and shift parameter, constitutes an interesting technique for constraining the Hubble parameter and that its value is weekly dependent on the curvature, as well as on the equation of state parameter of the dark energy. By analysing the different samples, we conclude that the elliptical description of the De Filippis et al. (2005) provides the best quality description in comparison with measurements that are independent from galaxy clusters physics. Furthermore, by using galaxy cluster data (SZE/X-ray) and adopting a purely kinematical description for the universal expansion, we obtain that the decelerating parameter is negative with 92 \\% and 72 \\% of the probability by using the Bonamente et al. (2006) and De Filippis et al. (2005) samples, respectively. By simulating future data set, the ability of the ongoing SZE observations to obtain tighter constraints on the expansion history through SZE/X-ray technique is also discussed. On the other hand, since the SZE/X-ray technique for measuring angular diameter distance of clusters depends on the cosmic distance duality relation (DD relation) validity, we investigate the consequences of such a dependence in two distinct ways: (i) we test the consistence between the strict validity of DD relation in the framework of the $\\Lambda$CDM model (WMAP7) and the different assumptions underlying the galaxy cluster geometries, and (ii) we propose a self-consistent and model-independent test for the DD relation by using type Ia supernovae and galaxy clusters data. Finally, for such a test, we also analyse the influence of the different supernovae light curve fitter methods. Our constraints for $H_0$ and the statistical consequences of the distance duality relation provide a new evidence that the true geometry of galaxy clusters is provided by the elliptical form. Such results also reinforce the interest for the observational research involving the Sunyaev-Zeldovich and X-rays from galaxy clusters at moderate and high {\\it redshifts}.

Orientador: Horatiu Stefan Nastase
Banca: Robert Brandenberger
Banca: Rogério Rosenfeld
Banca: Nathan Jacob Berkovits
Banca: Luis Raul Weber Abramo
Resumo: Nesta tese a Teoria das Perturbações Cosmológicas é revisada e três tópicos originais, incluídos neste grande ramo da cosmologia teórica, são apresentados. Começamos introduzindo e deduzindo as fórmulas necessárias partindo de primeiros princípios no capítulo 2. Em seguida, no capítulo 3, estudamos em detalhe Teorias Quânticas de Campos em de Sitter que contêm correntes de spin alto. Mostramos que a existência de correntes de spin alto - mesmo em teorias com interação - pode colocar mais vínculos na função de n-pontos, tornando a teoria assintoticamente gaussiana no futuro longínquo. Este resultado pode ser interpretado como o análogo do teorema de ColemanMandula para o espaço-tempo de de Sitter. O capítulo 4 é dedicado a modelos inflacionários conformes com o campo de Higgs fazendo o papel de Inflaton. Modelos com simetria de Weyl e com simetria SO(1, 1) para valores altos da energia são construídos. Verificamos quais as condições necessárias para que se obtenha um valor arbitrário para a razão escalar tensorial, parâmetro que mede a intensidade de ondas gravitacionais primordiais em um dado modelo. Introduzimos também um acoplamento diferente do valor conforme para a interação do campo escalar com o tensor de curvatura. Isto quebra a simetria de Weyl, mas verificamos que existe um forte atrator na direção da linha de Starobinsky. No último capítulo, aplicamos o efeito do 'back reaction' dos modos com comprimentos de onda longo (maiores que o raio de Hubble) em alguns modelos inflacionários e no cenário Ekpyrótico. Checamos se este efeito pode prevenir a inflação eterna nas regiões onde efeitos estocásticos são importantes nestes modelos. Alguns apêndices, com cálculos detalhados, são incluídos no final
Abstract: In this thesis the Theory of Cosmological Perturbations is reviewed and three original topics, that are part of this huge branch of theoretical cosmology, are presented. We start by reviewing and deducing the needed formulas from first principles in chapter 2. After it, in chapter 3, we study in detail Quantum Field Theories in de Sitter spacetime that contain Higher Spin currents. We show that the existence of Higher Spin currents - even in the interacting case - can put further constraints on the n-point function, making it asymptotically gaussian in the far future. This result can be interpreted as the analog of Coleman-Mandula theorem for de Sitter spacetime. Chapter 4 is devoted to conformal inflationary models with the Higgs field playing the role of the Inflaton field. We construct models with a Weyl symmetry and a SO(1, 1) symmetry at high energies. It is verified what are the conditions to get an arbitrary value for the tensor to scalar ratio, which measures the amplitude of primordial gravitational waves in a given model. Also, we introduce a coupling, different from the conformal one, for the scalar field and the curvature tensor. This breaks the Weyl symmetry but we verify that there is a strong attractor towards the Starobinsky line. In the last chapter, we apply the back-reaction effect of long wavelength modes (modes with wavelength bigger than the Hubble radius) in some inflationary models and in the Ekpyrotic scenario. We check if this effect could prevent eternal inflation in the region where stochastic effects are important for these models. Some appendices, with detailed calculations, are also included in the end
Doutor

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
O objetivo principal desta dissertação é o de testarmos a consistência em larga-escala de um modelo de gravidade quântica. Este modelo consiste de uma teoria de YangMills para o grupo de calibre SO(m, n) escrita em um espaço-tempo euclidiano quadridimensional. Ao tomarmos o limite infravermelho, a álgebra do grupo SO(m, n) sofre uma contra¸c˜ao de Inönü-Wigner e é deformada na álgebra de Poincaré, quebrando, assim, a simetria de calibre. Como consequências, temos o surgimento das simetrias locais de Lorentz e a identificação dos campos de calibre com a vierbein, e(x), e a conexão de spin, ω(x). A gravidade resultante é uma teoria efetiva tipo-Einstein-Cartan que contém termos de correção ultravioleta e campo de torção propagante. Uma vantagem deste modelo de gravidade induzida é o surgimento natural de uma constante cosmológica gravitacional que, junto com a constante de Newton, G, pode ser calculada perturbativamente. Utilizamos a métrica FLRW e o ansatz de um espaço-tempo riemanniano para demonstramos que esta gravidade efetiva possui o Modelo Cosmológico Padrão como seu limite infravermelho. Além disso, o setor ultravioleta de teoria prevê uma fase de Sitter hiper-acelerada que pode vir a ser associada à inflação e prevê também a presença de matéria exótica no Universo primordial.
Our main go in this thesis is to test the large-scale consistency of a quantum gravity model. This model consists of a Yang-Mills theory with gauge group SO(m, n) written in a four-dimensional euclidean space-time. In the infrared limit, the SO(m, n) algebra undergoes an In¨on¨u-Wigner contraction to Poincaré algebra and the gauge symmetry is broken. As consequence, Lorentz local symmetries arise and the gauge fields can be identified with a vierbein field, e(x), and a spin connection field, ω(x). The resulting gravity is an effective Einstein-Cartan-like theory with ultraviolet correction terms and propagating torsion field. An advantage of this model is the natural appearance of a gravitational cosmological constant that, along with Newton’s gravitational constant, G, can be calculated perturbatively. Making use of the FLRW metric and the ansatz of a riemannian spacetime we demonstrate that this effective gravity has the Standard Cosmological Model in its infrared sector. Furthermore, the ultraviolet regime foresee a hyper-accelerated de Sitter phase that may prove to be inflationary and also foresee the presence of exotic matter in the early Universe.

Neste trabalho estudamos os efeitos quânticos de criação de partículas nos contextos cosmológico e da eletrodinâmica clássica. Com o estudo da criação de partículas em campos elétricos externos constantes e oscilatórios, os conhecidos efeitos Schwinger estático e oscilatório, respectivamente, foi possível estudar a polarização do vácuo quântico e a conseqüente criação de partículas do vácuo. Esse é um efeito não-perturbativo no contexto da eletrodinâmica e sua observação seria de grande importância para validar essa teoria nesse regime. Esse efeito, no entanto, ainda não foi detectado experimentalmente, uma vez que são necessários campos elétricos muito fortes no caso estático. Contudo, no caso oscilatório existe um experimento em andamento para a detecção de um efeito quântico análogo, o chamado efeito Casimir dinâmico. A verificação do efeito Casimir dinâmico é importante para a validação do efeito Schwinger oscilatório, dado que o movimento das condições de contorno é equivalente à aplicação de um campo externo. Finalmente, foi estudada a criação de partículas em um contexto cosmológico, sendo o caso estático a criação de partículas na era inflacionária do universo. O caso dinâmico corresponde ao período de reaquecimento ou, mais precisamente, em seu período inicial conhecido como pré-aquecimento, em que a criação de partículas é mais eficiente. A criação de partículas na era inflacionária ocorre devido à expansão acelerada do universo. Por meio de uma transformação canônica simples foi possível observar que o mecanismo de criação de partículas nesse período é o mesmo da criação de partículas do efeito Schwinger estático. Da mesma forma, para o pré-aquecimento, em que a criação de partículas é dada pela oscilação do inflaton em torno de seu mínimo do potencial, o mecanismo de criação resume-se a um mecanismo de ressonância paramétrica descrito por uma equação de Mathieu. Esse é exatamente o mesmo mecanismo que descreve a criação de partículas no caso do efeito Schwinger oscilatório. Dessa forma, os mecanismos de criação de partículas nos casos do efeitos Schwinger estático e oscilatório são análogos aos mecanismo de criação inflacionário e do pré- aquecimento. A detecção experimental desse efeito em um experimento terrestre seria uma grande confirmação para esses mecanismos cosmológicos.
In this work we study the quantum effects of particle creation in the cosmological context and of the classical electrodynamics. With the studies of the particle creation in constant and oscillatory external electrical fields, the known static and oscillatory Schwinger effects, respectively, it was possible to study the polarization of the quantum vacuum and the consequently creation of particles from the vacuum. This is a non perturbative effect in the context of the electrodynamics and its observation would be of great importance to validate this theory in this regime. This effect, however, was not yet experimentally detected, since very strong electric fields are necessary in the static case. However, in the oscillatory case there is an experiment currently in development for the detection of an analog quantum effect called dynamical Casimir effect. The verification of the dynamical Casimir effect is important for the validation of the oscillatory Schwinger effect, since the movement of the boundary conditions is equivalent to the application of a external field. Finally, it was studied the creation of particles in a cosmological context, being the static case the creation of particles in the inflationary epoch of the universe. The dynamical case corresponds to the reheating period or, more precisely, its initial stage known as preheating, in which the creation of particles is more efficient. The creation of particles in the inflationary epoch occurs due to the accelerated expansion of the universe. By means of a simple canonical transformation it was possible to observe that the mechanism of particle creation in this period is the same of the one in Schwinger effect. In the same way, for the preheating, in which the particle creation is given by the oscillation of the inflaton field around the minimum of its potential, the mechanism of creation happens due to the parametric resonance described by a Mathieu equation. This is exactly the same mechanism that describes the oscillatory Schwinger effect. In this way, the mechanisms of particle creation in the cases of the static and oscillatory Schwinger effects are analogs to the creation mechanisms from inflation and from preheating. The experimental detection of this effect in a terrestrial experiment would be a confirmation for this cosmological mechanisms.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017.
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A cosmologia quântica na gravidade teleparalela é uma teoria construída à partir do Teleparalelismo equivalente à Relatividade Geral (TERG) e da quantização de Weyl. O TERG é uma descrição alternativa à proposta de Einstein. Ela demonstra que o campo gravitacional em termos de campo de tétradas, permitindo a obtenção, dentre outras soluções, da densidade de energia gravitacional. Já o procedimento de Weyl mostra um formalismo mais sólido para tratamento da correspondência entre operadores clássicos e quânticos. Através de um formalismo hamiltoniano da Relatividade Geral (RG), Wheeler e DeWitt construíram uma teoria quântica para a cosmologia mas que tem vários problemas, alguns deles relatados nesse trabalho. Partindo das ferramentas da TERG, do Modelo Cosmológico Padrão (MCP) e da quantização de Weyl, é obtido a equação de cosmologia quântica a partir da energia gravitacional e contrastada com a de Wheeler-DeWitt, a equação da cosmologia quântica teleparalela completa e sua equivalente em primeira aproximação. A discussão final é um panorama do que se tem em gravitação, os problemas e as possíveis soluções com a cosmologia quântica na gravidade teleparalela. Palavras chaves: Relatividade Geral. Cosmologia. Teleparalelismo Equivalente à Relatividade Geral. Gravidade teleparalela. Cosmologia quântica.
Quantum cosmology in teleparallel gravity is a theory built from Teleparalelism equivalent to General Relativity (TEGR) and Weyl quantization. The TEGR is an alternative description to Einstein's proposal. It demonstrates that the gravitational field in terms of tetrads field, allowing to obtain, among other solutions, the gravitational energy density. However, Weyl's procedure shows solid formalism for dealing with the correspondence between classical and quantum operators. Starting from a GR formalism, Wheeler and DeWitt constructed a quantum theory for cosmology with has several problems, some of them reported in this dissertation. From the TERG, Standard Cosmology Model (SCP) and Weyl quantization tools, the quantum cosmology equation is obtained from gravitational energy and contrasted with Wheeler-DeWitt equation, the complete quantum cosmology equation and its equivalent in first approximation. The final discussion is an overview about gravitation, the problems and possible solutions with quantum cosmology in teleparallel gravity. Keywords: General Relativity. Cosmology. Teleparalellelism Equivalent to General Relativity. Teleparallel gravity. Quantum cosmology.

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.

Analisamos, em particular, a estabilidade das soluções tipo tracker. Nossa análise é global, baseando-se na existência de funções de Lyapunov para pontos críticos previamente identificados na literatura e já estudados no regime linear local. Aplicamos a metodologia desenvolvida no contexto cosmológico para encontrar soluções superaceleradas, definidas quando a equação de estado é muito negativa ( = p/ < -1), e estimar a bacia de atração em torno dos pontos fixos estáveis. Baseado nestes resultados, propomos um modelo livre de instabilidades clássicas e/ou quânticas capaz de descrever a recentemente descoberta fase de expansão acelerada do Universo, incluindo os eventuais regimes superacelerados levemente favorecidos pelos dados observacionais disponíveis atualmente.
We analyzes, in particular, the stability of tracker solutions. Our analyzes is global, based in the existence of Lyapunov functions for fixed points previously identified in the literature and studied in the local linear regime. The methodology developed in the cosmological context is applied to find superaccelerated solutions, defined when the equation of state is very negative ( = p/ < -1), and to obtain the attraction basin around the stable fixed point. Based in these results, we propose a model free of classical and/or quantum instabilities, capable of describing the recently discovered fase of accelerated expantion of the Universe, including the possible superaccelerated regime slightly favored by the available observational data.

Com esta pesquisa estudamos quais são as possibilidades e as dificuldades de trabalhar a cosmologia nas aulas de física do ensino médio, uma vez que é um assunto com uma profunda riqueza sobre a história e a filosofia da ciência (HFC) e que pode facilita o entendimento da natureza do conhecimento científico (NdC), o que nos possibilita ensinar ciências de uma forma mais condizente com sua origem e seu desenvolvimento. Por isso, apresentamos neste trabalho, uma série de modelos sobre a origem do universo, partindo desde os mitos de criação de civilizações antigas, passando por alguns dos principais modelos filosóficos e clássicos até chegar aos modelos cosmológicos modernos. Para facilitar a comparação entre esses modelos sintetizamos suas características por meio do mapeamento conceitual. Porém, não é objetivo deste trabalho fazer um estudo histórico do desenvolvimento da cosmologia, mas apresentar alguns modelos que trazem elementos pertinentes de serem levados para uma aula de física. Acreditamos que a cosmologia possa motivar os alunos a se interessarem mais pelo conhecimento científico, já que ela naturalmente desperta a imaginação e a curiosidade dos seres humanos desde a antiguidade. Também entendemos que a cosmologia pode facilitar a inserção da física moderna e contemporânea nas aulas do ensino médio, além de também possibilitar uma relação direta com diversos temas da física clássica, uma vez que alguns desses conteúdos foram desenvolvidos numa tentativa de explicar a evolução do universo. Apesar de acreditarmos na importância de usar a cosmologia para melhorar o conteúdo físico oferecido no ensino médio das escolas do estado de São Paulo, sabemos também que são grandes as dificuldades para sua aplicação, por isso, debruçamos nossa atenção sobre esses problemas numa tentativa de mapeá-los. Com esses objetivos realizamos uma pesquisa empírica de natureza diagnóstica, visando investigar as possibilidades e as dificuldades em trabalhar esse tema no ensino médio, sob o ponto de vista de professores de física que conhecem bem a realidade escolar, das instituições de ensino público estadual. Os resultados apontam uma série de possibilidades na exploração do tema, como: o interesse que a maioria dos alunos tem pelo assunto; o rico contexto histórico e filosófico; a facilidade que o tema oferece para um trabalho interdisciplinar, entre outras. Além disso, os resultados também apontam problemas relacionados à falta de formação adequada; a falta de motivação dos professores em inovar suas aulas, devido a condições desgastantes impostas pela estrutura profissional; a saturação de conteúdos no currículo de física para pouca quantidade de aulas semanais e um possível embate religioso na apresentação de modelos como o Big Bang, uma vez que boa parte dos alunos tem origem cristã. Tais possibilidades e dificuldades foram apresentadas na forma de mapas conceituais, com o objetivo final de fornecer subsídios para futuros estudos sobre a inserção da cosmologia no ensino médio.
With this research we studied what are the possibilities and difficulties of working the cosmology in physics classes in secondary education, since it is a very rich subject about the history and philosophy of science (HFC) and facilitates understanding the nature of the scientific knowledge (NdC), which enables us to teach science in a more consistent way with its origin and development. Therefore, we present in this work, a series of models about the origins of the universe, from the creation myths of ancient civilizations, passing by some of the main philosophical and classical models to reach the modern cosmological models. However, it is not the aim of this work to make a historical study of the development of cosmology, but present some models that bring relevant elements being taken into account for a physics class. We believe that cosmology can motivate students to become more interested in scientific knowledge, since it naturally arouses the imagination and curiosity of humans since antiquity. We also understand that cosmology can facilitate the insertion of modern and contemporary physics in secondary education classes, and also enable a direct relationship with various themes of classical physics, since some content have been developed in an attempt of explaining the evolution of the universe. Although we believe in the importance of using cosmology to improve the physical content offered in secondary education schools in the state of São Paulo, we also know that there are great difficulties in its application, so we focus our attention on these issues in an attempt to map them. With these objectives we conducted an empirical study of diagnostic nature, aiming to investigate the possibilities and difficulties in working this issue in the secondary education, from the point of view of physics teachers who know the school reality of the State public education institutions. The results suggest a number of possibilities in exploration of the theme, such as: the interest which the majority of students have ion such subject, the rich historical and philosophical context, how easy the theme is in order to offer an interdisciplinary work, among others. Moreover, the results also point to problems related to lack of adequate education; the lack of motivation of the teachers to innovate their classes due to stressful conditions imposed by the professional structure; saturation of content in the curriculum of physics having just a few weekly classes to teach it and a possible religious confrontation in presenting models like the Big Bang, once a great part of the students have a Christian origin. With the results found we made a mapping of such possibilities and difficulties, which were presented in the form of conceptual maps, with the ultimate goal of providing insights for future studies on the insertion of cosmology in the secondary education.

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.

Made available in DSpace on 2018-08-01T21:59:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_11459_Tese final Carla Rodrigues Almeida -PPGFis20171017-84343.pdf: 8309565 bytes, checksum: 57bfd55ba54ed368ff12fc5c3a58120f (MD5) Previous issue date: 2017-09-21
O objetivo deste trabalho é estudar os aspectos físicos e matemáticos da quantização canônica de teorias escalares-tensoriais, em particular da Teoria de Brans-Dicke, usando um fluido perfeito como componente de matéria do universo, introduzido via formalismo de Schutz. Fazemos um estudo completo do caráter autoadjunto do operador de energia efetivo proveniente da quantização desta teoria. Tal quantização é feita através do vínculo de energia obtido da descrição Hamiltoniana da Relatividade Geral, a equação de Wheeler-DeWitt, de onde recuperamos uma equação do tipo Schrödinger, considerando o parâmetro temporal dado pelo fluido que compõe o universo. Adotamos a Interpretação de Copenhagen para Mecânica Quântica para analisar o sistema quantizado. Também apresentamos o caso da quantização da Teoria de K-essência para um limite particular, onde recuperamos um comportamento de um fluido perfeito em Relatividade Geral via Schutz. Introduzimos também a noção de quantização afim como alternativa ao método canônico e apresentamos os conceitos matemáticos nos quais ele é baseado, aplicando o método num exemplo cosmológico de um universo dominado por poeira. Também fazemos uma análise semiclássica qualitativa da Teoria de Brans-Dicke.

Os recentes avanços em cosmologia observacional indicam que o universo esteja passando por uma fase de expansão acelerada. A determinação do mecanismo responsável pela aceleração cósmica constitui um dos problemas mais intrigantes na ciência hoje. Entre os diversos candidatos a mecanismo de aceleração, a explicação mais simples e econômica é assumir a existência de uma constante cosmológica associada à energia do vácuo. Contudo, essa interpretação leva a importantes problemas conceituais associados à natureza dessa componente. Nesta tese, investigamos a dinâmica de diferentes mecanismos de aceleração cósmica, comparando suas previsões com diversos testes observacionais. Em particular, demos ênfase aos cenários baseados na criação de matéria escura fria (CCDM), nos quais a presente aceleração do universo é produzida sem a presença de um fluido exótico, como consequência do processo de produção de partículas de matéria escura gravitacionalmente induzido. Inicialmente, propusemos um modelo no qual o mecanismo de criação de partículas é capaz de gerar uma cosmologia dinamicamente degenerada com o modelo padrão, CDM. Discutimos no chamado modelo de Lima, Jesus & Oliveira (LJO) a dinâmica cosmológica com criação de matéria escura fria e com pressão. Através de um teste estatístico de $\\chi^2$, mostramos que o modelo fornece ótimo ajuste aos dados de supernovas tipo Ia (SNe Ia). Posteriormente, estudamos a evolução de pequenas perturbações de densidade em um fundo homogêneo para modelos tipo CCDM, através do formalismo Neo-Newtoniano. Restringindo-nos ao modelo LJO, comparamos as previsões obtidas nesse contexto com as proveniente do modelo CDM. Mostramos que o modelo é capaz de fornecer excelente ajuste aos dados observacionais de medidas da taxa de crescimento linear, para o caso plano e com velocidade efetiva do som $c^2_=-1$. Ainda dentro do cenário CCDM, investigamos uma segunda proposta original, com capacidade de ajuste às observações similar aos modelos CDM e LJO com mesmo número de parâmetros livres, porém com dinâmica não degenerada com estes. Derivamos a dinâmica cosmológica do modelo e discutimos a sua viabilidade através da análise estatística de medidas de SNe Ia e do parâmetro de Hubble em diferentes redshifts $H(z)$. Finalmente, discutimos a dinâmica de um modelo com decaimento do vácuo ((t)CDM) e sua descrição em campos escalares. Assumindo como forma d o termo de vácuo uma série de potências truncada do parâmetro de Hubble, derivamos as equações dinâmicas básicas e as previsões cosmológicas do modelo. Mostramos que, quando a transferência de energia entre as componentes dos setor escuro se dá através da criação de partículas, modelos CCDM e (t)CDM podem compartilhar a mesma dinâmica e termodinâmica, dentro de certas condições. Adicionalmente, mostramos que o modelo é capaz de prover um bom ajuste às medidas de SNe Ia e da chamada razão CMB/BAO. Obtivemos ainda uma descrição do modelo (t)CDM por um campo escalar, estendendo a validade do modelo para outros espaços-tempos e outras teorias gravitacionais. Nossos resultados mostram que existem diversas alternativas viáveis ao atual modelo padrão em cosmologia, capazes de contornar os problemas as sociados à constante cosmológica. A discussão dessas alternativas é essencial para uma compreensão mais profunda acerca da dinâmica, da composição e do destino do universo.
Recent advances in observational cosmology indicate that the universe is undergoing an accelerating stage of expansion. The determination of the mechanism responsible for the cosmic acceleration is one of the most intriguing problems in science today. Among many candidates for the acceleration mechanism, the simplest and most economical explanation is to assume the existence of a cosmological constant associated with the vacuum energy. However, this interpretation leads to important conceptual problems associated with the nature of this component. In this thesis, we investigate the dynamics of different mechanisms of cosmic acceleration, comparing their predictions through several observational tests. In particular, we emphasize the scenarios based on creation of cold dark matter (CCDM), in which the present acceleration of the universe is produced without the presence of an exotic fluid as a result of the gravitationally induced dark matter production process. Initially, we have proposed a model in which the particle creation mechanism is able to produce a cosmology dynamically degenerated with respect to the standard model, CDM. We discussed the cosmological dynamics for the creation of cold dark matter and dark matter with pressure within the so-called model of Lima, Jesus & Oliveira (LJO). Through a statistical $\\chi^2$ test, we showed that the model provides a good fit to the type Ia supernovae (SNe Ia) data. Subsequently, we studied the evolution of small density perturbations in a homogeneous background for CCDM type models through the Neo-Newtonian formalism. Restricting ourselves to the LJO model, the predictions obtained in this context were compared with those from the CDM model. We showed that the model is able to provide a very good fit to the linear growth rate observational data, for a flat universe and effective speed of sound $c^2_=-1$. Also within the CCDM scenario, we discussed a second original proposal with similar goodnes-of-fit and same degree of freedom to the models CDM and LJO, but with a non-degenerated dynamics. We derived the dynamics of the model and discussed its viability through the statistical analysis of measurements of SNe Ia and Hubble parameter in different redshifts $H(z)$, obtaining results in complete agreement. Finally, we discussed the dynamics of a model with vacuum decay ((t)CDM) and its description by scalar fields. Assuming the form of the vacuum term as a power series in the Hubble parameter, we derived the basic dynamic equations and the cosmological predictions of the model. We showed that when the energy exchange between the components of the dark sector is through the creation of particles, CCDM models and (t)CDM can share the same dynamics and thermodynamics under certain conditions. Additionally, we showed that the model is able to provide a good fit to the SNe Ia data and measurements of the CMB/BAO ratio. We also derived a description of CDM model by a scalar field, extending the validity of the model for other space-times and other gravitational theories. Our results show that there are several viable alternatives to the current standard model of cosmology, able to overcome the problems associated with the cosmological constant. The discussion of these alternatives is essential to a deeper understanding of the dynamics,composition and fate of the universe.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-26T18:46:17Z No. of bitstreams: 1 emanuelantonioefreitas.pdf: 387559 bytes, checksum: 6172ab4c13588ec4c374331340b9785d (MD5)
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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
No estudo da Gravitação é possível escrever a métrica utilizando um fator conforme, sendo a simetria conforme um aspecto importante em Cosmologia. Assim, apresentamos nesta tese um estudo sobre esse tópico na primeira parte do trabalho, no qual estão incluidas técnicas de cálculo de termos lineares e quadráticos na curvatura em exemplos de interesse físico. A importância de tais técnicas está no fato de possibilitarem a obtenção das equações, necessárias no estudo da gravitação, através de um procedimento eficaz com maior simplicidade com relação ao método tradicional. Em seguida foi realizada uma investigação dos efeitos da torção na teoria de Einstein-Cartan para o universo primordial. Nesta tese foi realizado um estudo das soluções para um fluido de spin relativístico de Weyssenhoff homogêneo e isotrópico e uma corrente axial tipo-tempo, também homogênea e isotrópica. As soluções gerais podem ser descritas em termos de três soluções particulares. As propriedades e aspectos dessas soluções, tais como ausência de singularidade e expansão acelerada, foram analisadas e dependem das relações entre os parâmetros das fontes.
In gravitation, it is possible to write metric tensor using a conformal factor. In this sense, conformal symmetry is an important feature in Cosmology. We firstly present a useful study on this subject, along with several techniques of calculating linear and quadratic terms on curvature. Next, we investigate the effects of torsion in the framework of Einstein-Cartan theory in early cosmology. We study solutions for a homogeneous and study solutions for a homogeneous and isotropic relativistic Weyssenhoff spin fluid with dynamical timelike axial current, also homogeneous and isotropic. The general solutions can mostly be described by means of three particular solutions. The properties of these solutions (such as singularity avoidance and primordial or late accelerated expansion) are analysed and depend on the relations between the source parameters.

Cosmologia e ideologia: la teoria dell’espansione dell’Universo nello spazio pubblico (1922-1992). È a prima vista sorprendente sentir parlare di cosmologia moderna nel contesto di una tesi dottorale dedicata al tema della comunicazione politica: che cos’ha a che vedere, infatti, la teoria dell’Universo in espansione con tale àmbito? Superficialmente, la risposta potrebbe essere di puro scetticismo. Tuttavia, la documentazione da me vagliata in questi anni ha recato supporto ad una serie di ipotesi alle quali cominciai a lavorare ai tempi della laurea specialistica, confortato dalla lettura di un manuale di storia della cosmologia (Singh, 2004). Nonostante le difficoltà iniziali da me attraversate durante la ricerca – spesso i rapporti tra cosmologia moderna e politica sono tutt’altro che espliciti – risultati concreti cominciarono a giungere dopo qualche mese, portandomi infine a comporre una bibliografia consistente in documenti tratti da circa 50 tra riviste e quotidiani, ripartibili per: 1) Lingua: 26 in tedesco, 12 in inglese, 6 in italiano, 3 in francese, 5 in russo. 2) Settori di competenza: 7 di astronomia specialistica, 4 di astronomia divulgativa o semidivulgativa, 7 di fisica specialistica, 1 di fisica divulgativa, 9 di scienze varie specialistiche, 10 di scienze varie divulgative, 7 di filosofia o materia politico-sociale, 4 giornali. A ciò si aggiunga il materiale proveniente da interviste da me eseguite (6), archivi (2), filmografia, enciclopedie. Il materiale è stato raccolto in Italia, in Germania (Göttingen, Frankfurt a.M.), in Belgio, in Svizzera (CERN) e da oltre oceano tramite il Prestito Interbibliotecario di Trento. In tutto, la bibliografia conta 893 articoli e 408 monografie. Oggetto centrale della dissertazione è la teoria dell’espansione cosmica, per la quale l’Universo si troverebbe in uno stato di espansione da circa 13.7 miliardi di anni a partire da un BB primordiale, che la scienza non dichiara osservabile, ma al quale si giunge per estrapolazione. Friedmann (1922) e Lemaître (1927) elaborarono le loro proposte in forma ipotetica; nei decenni successivi vi furono osservazioni giudicate generalmente come prove empiriche: a parte il redshift, si devono citare il calcolo del numero degli elementi chimici primordiali, la CMBR e COBE (1992). Nella ricerca non ho voluto presentare tanto argomentazioni apologetiche sul BB, quanto mostrare il dibattito che la teoria ha generato, coinvolgendo livelli comunicativi vari: 1) Specialistico. 2) Teologico-filosofico. 3) Pubblico (divulgativo). 4) Politico. 5) Strumentale. È la cosmologia stessa a prestarsi al dibattito multidisciplinare. Pur non godendo di un consenso assoluto, il BB rappresenta oggi il paradigma astrofisico per eccellenza. Nell’introduzione della dissertazione, presento uno schema dei livelli comunicativi coinvolti nel dibattito, senza pretendere di procedere per “compartimenti stagni†, ossia per cesure nette tra uno e l’altro. Un singolo individuo, infatti, può essere coinvolto in più piani: non mi è stato possibile inserire la ricerca solo in alcuni di essi o in uno solamente, sebbene possa affermare di aver dato molto risalto al momento del pubblico-divulgativo. Si prenda, ad esempio, Lemaître: egli fu coinvolto nel livello specialistico, divulgativo, religioso, politico, strumentale. Primo capitolo: la cosmologia moderna. Nel primo capitolo ho tracciato una storia dell’ipotesi del BB. Grazie ad alcuni manuali guida (Kragh 1999, Singh 2004) mi sono potuto orientare nella lettura di documentazione specialistica e divulgativa, aggiungendo l’analisi del dibattito filosofico europeo sulla cosmologia moderna, del BB nel cinema, nella narrativa e nel contesto neocatastrofista. Ho rilevato come il contesto della Guerra Fredda e della ricerca nucleare abbia giocato un ruolo essenziale nell’elaborazione delle ipotesi sull’Universo primordiale (es. legame BB-bomba atomica). Mi sono in particolare concentrato sulla vicenda biografica di Lemaître. Ho desiderato mostrare come la filosofia, la teologia e pure l’estetica non siano state assenti dal dibattito. A fianco del BB, si sono sostenute altre ipotesi come lo Steady State e l’Universo ciclico, oggi generalmente dismesse. Tuttora la discussione sul BB prosegue. Secondo capitolo: la Germania dal 1918 al 1945. Nel caso tedesco del periodo 1918-45, un gruppo di scienziati e tecnici tentò di sfruttare un’ideologia dapprima diffusa a livello popolare (antigiudaismo) e poi al potere per contrastare la relatività generale e la cosmologia relativistica. Dai primi anni ‘20, fisici come Lenard e Stark e pubblicisti vari si opposero all’‘einsteinismo’ perché espressione dello ‘spirito giudaico’, cioè di uno stile superficiale e astratto (‘formalista’) di concepire la Natura. Secondo opuscoli dell’epoca, la ‘scienza giudaica’ rappresentava la sovversione dei valori tradizionali della scienza classica newtoniano-euclidea: falso il continuum spazio-temporale quadridimensionale, falsa la concezione di un Cosmo spazialmente finito. Nel 1920, una trentina di scienziati e tecnici fondò a Berlino un gruppo per la conservazione della purezza della scienza (Arbeitsgemeinschaft deutscher Naturforscher zur Erhaltung reiner Wissenschaft), gruppo che riteneva che solo la manipolazione dell’opinione pubblica a mezzo dei media – in mano ebraica – consentì la diffusione di una ‘suggestione di massa’ come la relatività, cosa che aveva condotto ad una crisi della ‘fisica tedesca’. Ora, la vicenda dei ‘fisici ariani’ è già da tempo nota agli studiosi; è stato mio interesse verificare se essa avesse un corrispettivo in campo cosmologico. Da quanto ho constatato, esistettero sì critici “ideologi†della cosmologia relativistica, ma essi operarono come “elementi sciolti†, ossia senza dar vita ad un movimento coeso. Gli anti-einsteinisti non ottennero nuova linfa dalle speranze riposte nell’NSDAP, nonostante gli appelli politici alla purezza della ‘cultura ariana’ (es. Mein Kampf). Gli sforzi degli anti-einsteinisti degli anni ’20 e ’30 si limitarono alla produzione di opere non prese in considerazione dal resto della comunità scientifica tedesca (es. Hundert Autoren gegen Einstein, 1931); Heckmann e Vogt, astrofisici membri dell’NSDAP, portarono avanti la disamina sulla cosmologia relativistica. L’inizio del III Reich modificò parzialmente la situazione: Einstein lasciò la Germania (1933) e fu contestato dal regime, Rosenberg encomiò Lenard e le sue opere (1929), Stark divenne Presidente della DPG (1934), Müller successe a Sommerfeld a Monaco (1939), il Partito vietò la diffusione di “Nature†(1938). Vi furono numerosi convegni nei quali politici vari enfatizzarono il ruolo della popolazione ‘nordica’ per l’astronomia; si poteva certamente citare di meno Einstein e la relatività; i ‘fisici ariani’ fecero sì proseliti all’estero tra fine anni ‘30 e inizio ‘40. Tuttavia, nella «Zeitschrift für Astrophysik», nella «Astronomische Nachrichten» e in riviste divulgative le pubblicazioni sulla cosmologia moderna furono presenti per tutta la durata del Reich. Alla fine del 1937, Rosenberg diramò un comunicato nel quale il Partito ammetteva una libera discussione sulle teorie fisiche coeve. Heisenberg poté anche contare sull’aiuto di Himmler per difendersi dalle accuse di Stark (‘ebreo bianco’). Nella seconda metà degli anni Trenta, Bruno Thüring tentò la costruzione di un’‘astrofisica tedesca’, accusando Einstein di aver ‘talmudizzato’ l’Universo. Ma, lasciati soli dal potere all’epoca del programma nucleare, i fisici e gli astronomi ‘ariani’ subirono dure sconfitte, preparate dal fisico Finkelnburg, tesserato del Partito: il 15 novembre 1940 a Monaco e l’1-3 novembre 1942 a Seefeld. Come ho mostrato, Thüring continuò la sua battaglia contro la relatività, la cosmologia relativistica e il Big Bang anche dopo il crollo del Reich, senza ottenere esiti notevoli. Terzo capitolo: l’Unione Sovietica. Il rapporto degli scienziati sovietici con la cosmologia risulterebbe poco comprensibile senza tener conto del diamat, filosofia ufficiale del PCUS. Dalle opere dei padri del materialismo si evince come la materia, eterna e infinita, sia soggetta a leggi dalle quali si sarebbero prodotte l’Universo e le sue forme materiali, legate all’accumulo, nel lungo periodo, di variazioni quantitative generanti un’improvvisa variazione qualitativa. La perpetua dinamicità della materia esclude ogni intervento esterno e configura un Cosmo in perenne mutamento. Sorge in tale contesto la distinzione tra una ‘scienza materialista’ e una ‘borghese’. Lenin chiamò a raccolta gli scienziati materialisti per la battaglia contro la ‘scienza occidentale’, ma il periodo della NEP (1921-28) lasciò relativa libertà in campo astronomico (es. Friedmann). Si crearono diverse posizioni sulla relatività e sulla cosmologia relativistica (l’ortodossia marxista le oppone critiche simili a quelle degli ‘ariani’). Con il trionfo di Stalin e la fine della NEP, la strategia staliniana del ‘Socialismo in un solo Paese’ trovò il suo corrispettivo nella ‘scienza proletaria’, espressa dallo Stato operaio, protagonista della Rivoluzione. Mentre a Stalin si tributavano onori quasi “divini†, i filosofi marxisti si fecero giudici delle dottrine scientifiche naturali; i congressi del Partito e culturali di quegli anni esortarono alla partiinost’, a rinvigorire la sorveglianza contro i ‘nemici’ e ad eliminare gli ultimi ‘residui capitalistici’ dalla mente del popolo (religione anzitutto): le scienze naturali divennero strumento della causa comunista e della propaganda antireligiosa, gli intellettuali-ideologi poterono scatenarsi, e le organizzazioni del Partito ‘bolscevizzavano’ riviste ed istituzioni scientifiche. La retorica del potere insisteva sul tracollo imminente del capitalismo e della ‘scienza borghese’. Gli astrofisici specialisti divennero filosofi marxisti in cosmologia, elaborando alternative varie alla ‘cosmologia borghese fideistica’, che sosteneva l’inizio e la fine del Mondo (tesi dell’alleanza occidentale tra Chiesa, scienza e capitale contro il comunismo). L’alternativa più usata fino al crollo dell’URSS fu declassare l’espansione da fenomeno globale a locale (metagalassia); negli anni ’30 e ’40 una discussione cosmologica specialistica fu assente in «AZ»: i ‘resistenti’ più ostinati morirono o subirono l’arresto nel corso delle Grandi Purghe, mentre alla fine del 1938 l’Accademia delle Scienze dettò la linea cosmologica ‘corretta’. Dopo la guerra, Zhdanov condusse la campagna ideologica definitiva (Zhdanovshchina) contro la ‘scienza borghese’ coeva, astronomia inclusa, troppo “teologizzata†. La comunità astronomica sovietica rimase coesa nel seguire la causa comunista e il diamat. Nel 1951, la polemica con l’Occidente si inasprì per la mancata convocazione dell’assemblea U.A.I. a Leningrado e per un discorso di Pio XII alla Pontificia Accademia delle Scienze. Dopo Stalin e il XX Congresso del Partito si aprì progressivamente una nuova èra per le scienze sovietiche: gli ideologi ultraortodossi vennero gradualmente banditi, le riviste specialistiche tradotte in inglese, scienziati e filosofi cominciarono a discutere più o meno serenamente di cosmologia moderna (mea culpa di Ambartzumian nel 1956). Gli scienziati erano ora i giudici delle teorie cosmologiche, non più (o non solo) i filosofi; il diamat rimaneva il riferimento filosofico imprescindibile, ma in versione “modernizzata†. Pressoché unanime rimase invece la propaganda atea nelle scienze. Nonostante l’apertura scientifica all’Occidente, il BB venne inteso come teoria riguardante il Cosmo intero da parte di giovani scienziati post-staliniani, mentre limitata alla sola metagalassia da parte dei ‘conservatori’. Nel 1963, due giovani astrofisici sovietici predissero l’esistenza della CMBR. Sotto Brežnëv, la cosmologia sovietica portò a termine il proprio processo di modernizzazione, mettendosi al passo con l’Occidente; crescenti i contatti sovietici con cosmologi occidentali in suolo russo o straniero. La denominazione BB dovette attendere il 1978 per comparire in «AZ». Nel 1976, la Great Soviet Encyclopedia accolse tutte le istanze della cosmologia moderna. Sotto GorbaÄ Ã«v, l’astrofisica sovietica tentò persino di anticipare COBE. Quarto capitolo: la Germania dell’Est. Dopo la guerra, l’influenza del diamat si diffuse nella parte della Germania occupata dall’Armata Rossa (dal 1949: DDR). La Zhdanovshchina vi trovò terreno fertile: gli scienziati tedesco-orientali, abituati per più di un decennio ai capisaldi dell’ideologia nazista, dovettero ora fare i conti con il diamat, sostenuto dai politici, dalle Kulturtagungen della SED e dai congressi del Partito. La propaganda riteneva la BRD responsabile della frammentazione politica e culturale tedesca, accusando gli scienziati tedesco-occidentali di ‘idealismo’ o ‘neotomismo’. «Urania», «Neue Welt», «Einheit» parteciparono attivamente alla campagna contro l’‘astronomia borghese’, campagna che entro pochi anni mise radici anche nella DDR, mentre nelle riviste specialistiche il dibattito cosmologico fu nei primi anni Cinquanta piuttosto sterile. Hollitscher subì provvedimenti (1951) per aver tenuto una serie di lezioni a Berlino senza essersi soffermato abbastanza sulla battaglia contro le ‘dottrine borghesi’ nelle scienze naturali. Ulbricht esortò accademici e scienziati a lasciare che il diamat permeasse l’indagine naturale, affermando che il Partito era particolarmente interessato alla fisica. Dopo Stalin, la morsa ideologica sulla cultura rimase attiva: la condanna politica ufficiale degli “errori†scientifici occidentali non venne meno. Nella seconda metà degli anni Cinquanta – dopo il XX Congresso del PCUS – nacque un movimento di critica al dogmatismo staliniano e in alcune riviste specialistiche e divulgative cominciò a comparire qualche articolo in più su temi della cosmologia moderna, mentre ideologi come Hager negavano pubblicamente e in maniera risoluta la scientificità della cosmologia dinamica. Nel 1963-64, la figura di Robert Havemann si impose all’attenzione nazionale per il temerario giudizio contro i classici del marxismo e il dogmatismo della cosmologia marxista. Nonostante la punizione inflitta ad Havemann, la retorica sull’ateismo e sul diamat in astronomia, alla fine degli anni Sessanta la cosmologia della DDR si avvicinò gradualmente a quella occidentale (ruolo della CMBR). Dagli anni Settanta, l’«Astronomische Nachrichten» pubblicò articoli cosmologici moderni con regolarità. Quando Honecker prese il potere (1971), la teoria del BB stava ottenendo un consenso internazionale crescente. Lo scontro tra materialismo e idealismo sussisteva ancora, ma in forma nuova. Pur non vietandone la discussione, i ‘conservatori’ continuarono a guardare con sospetto il BB. La comunità astronomica tedesco-orientale si trovò spesso divisa, come quella sovietica coeva, tra ‘innovatori’ (BB come teoria del Cosmo intero) e ‘conservatori’ (limitazione dell’espansione alla sola metagalassia): in comune vi era sempre il rifiuto del BB come teoria sostenente un inizio assoluto dell’Universo. Comunque inteso, negli anni Ottanta il BB divenne il modello standard anche nell’astrofisica della DDR. Quinto capitolo: la Chiesa Cattolica. Legata al dogma della creazione del Mondo, la teologia cattolica legge nei cieli la manifestazione della gloria divina e rinviene nel creato le tracce conducenti la ragione a Dio, secondo le indicazioni fornite da S. Paolo e dalla tradizione cattolica, per la quale a Dio si giunge per fede nella Rivelazione ma anche tramite argomentazioni razionali. I pontefici romani del XX secolo dovettero confrontarsi con una cosmologia che reclamava la necessità di attribuire all’Universo un’evoluzione di miliardi di anni e faceva della Via Lattea una tra le innumerevoli galassie. Sulla scia di Pio IX, Leone XIII negò che la Chiesa fosse di intralcio alla scienza naturale e condannò il socialismo quale forma fallace di risoluzione dei conflitti sociali (Rerum Novarum, 1891). S. Pio X si concentrò sulla lotta contro la dottrina filosofica del ‘modernismo’, che in molteplici forme sosteneva la variabilità (o evoluzione) temporale delle verità di fede. Con Pio XI, la Pontificia Accademia dei Nuovi Lincei assunse il nome di Pontificia Accademia delle Scienze (1936). Papa Ratti fu un fermo assertore del dialogo tra scienza e fede e ammirava l’Universo, che nelle sue leggi sembrava manifestare una sapienza ordinatrice. Egli lottò duramente contro il bolscevismo (es. Divini Redemptoris, 1937) e contro la ‘scienza materialista’: il diamat negava la scala degli esseri viventi, l’esistenza di Dio, dell’anima, l’autorità della Chiesa, l’Incarnazione e i dogmi. Con Pio XII la cosmologia moderna fece il proprio ingresso ufficiale in Vaticano. Pacelli vedeva nell’Universo una scala a Dio e nell’astronomia una scienza privilegiata in tal senso; la Pontificia Accademia divenne protagonista di settimane di studio sulla cosmologia, e poté contare sulla presenza di membri devoti come Whittaker. Pio XII prese posizione più volte nei confronti dell’Universo dinamico, soprattutto nel 1951, sulla scia della scomunica del comunismo (1949), della Humani generis (1950), della polemica con lo Steady State (es. «CC» con Stein). Per il Papa l’Universo era caduco, e al fondo della sua mutabilità si rivelava l’essere immutabile per eccellenza, quel Dio che presiedette al «potente inizio» del Mondo (Fiat lux!). Il discorso del 1951 non fu oggetto di dogmi o di encicliche, ma rappresentava un’opinione privata di Pacelli in qualità di studioso delle scienze naturali e comunque teneva distinte fisica e metafisica. Esso generò tuttavia una violenta reazione da parte comunista e una vaticana interna. Pio XII non rinunciò mai a sostenere la vicinanza tra dottrina cattolica e scienze naturali moderne, né alla condanna del comunismo (1958: gli astronomi vaticani non poterono recarsi a Mosca). Con Giovanni XXIII, il Vaticano II, Paolo VI e l’‘aggiornamento’, la situazione venne stravolta. «CC» continuò a ribadire l’adesione alla cosmologia lemaîtriana, la condanna del diamat, dello Steady State e del modello ciclico. Nel 1967, tuttavia, 4 astronomi vaticani presero parte alla XIII Assemblea dell’U.A.I. a Praga. Nel 1970, la Pontificia Accademia ospitò Ambartzumian in Vaticano; nel 1975, l’Accademia consegnò la medaglia Pio XI a Hawking. Giovanni Paolo II sosteneva l’armonia tra scienza e religione, confermando comunque la distinzione tra fisica e metafisica. Il Vaticano continuò ad ospitare simposi astrofisici internazionali (es. 1979) e scienziati sovietici (es. 1981). Rispetto ai tempi di Pio XII, il BB costituiva negli anni Ottanta un modello cosmologico forte. Nel 1988, Giovanni Paolo II esortò i teologi a non rimanere passivi, ma ad acquisire competenze scientifiche per evitare un uso acritico di teorie come il BB. Nel 1992, la Pontificia Accademia ufficializzò le scoperte di COBE. Prese di posizione sulla cosmologia moderna vennero assunte anche da Benedetto XVI (es. 2010. 2011). Conclusione. Essendo l’uomo situato nell’Universo e non creatore del medesimo, non può escludersi che egli possa non giungere mai ad una teoria definitiva sul Mondo. La cosmologia ha interessato e interessa le generazioni umane succedutesi nel corso dei millenni più per gli interrogativi e le riflessioni da essa suscitate, che per le pretese di esaustività empirica. Se in cosmologia si può essere dogmatici almeno su un punto, ciò è la certezza che gli interrogativi cosmologici rappresentino parte integrante dell’esistenza umana. Nel caso del BB, se pure un giorno si riuscisse a determinare in che cosa esso sia consistito e – ipoteticamente – da che cosa sia stato generato, ebbene anche in tal caso emergerebbe inevitabilmente la domanda sulla causa scatenante la causa stessa del BB, in una sorta di regressus ad infinitum del quale forse, come affermato da S. Tommaso, non la fisica ma la metafisica può rappresentare il termine. Ciò che io ho presentato nel mio lavoro riguardo all’interazione tra uomo, società, filosofia, scienza specialistica e cosmologia a livello generale è solo uno scorcio minimale su una storia che viene scritta di continuo, all’interno di un libro le cui pagine sono in costante aggiornamento.

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:29:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_4559_.pdf: 1503215 bytes, checksum: 49f90457de4ff306739200b4b2f377bf (MD5) Previous issue date: 2010-08-27
A inflação cósmica, que é a hipótese de que o Universo primordial tenha passado por um período de expansão exponencial, é atualmente a mais aceita e estudada teoria para explicar as flutuações primordiais que evoluíram até as estruturas em grande escala que observamos hoje. As ondas gravitacionais, quando detectadas, podem nos dar informações importantes sobre a inflação. Neste trabalho estudamos a teoria de Brans-Dicke e as ondas gravitacionais produzidas pela inflação cosmológica nesta teoria e obtemos parâmetros observacionais como o espectro de potência, o índice espectral e a densidade relativa de energia.

Submitted by Paulo Michel Longo Tavares da Silva null (pmichel@fc.unesp.br) on 2017-04-27T15:39:35Z No. of bitstreams: 1 Tese Paulo Michel.pdf: 1136521 bytes, checksum: 90b06ff6de7cf32fa7c69a80eb23b0fe (MD5)
Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-05-03T14:36:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_pmlt_dr_guara.pdf: 1136521 bytes, checksum: 90b06ff6de7cf32fa7c69a80eb23b0fe (MD5)
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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Este trabalho contém duas abordagens concernentes às dimensões extras. Na primeira abordagem, investigamos duas teorias modificadas da gravitação em dimensões arbitrárias, f(R)-Einstein-Palatini e a teoria de Brans-Dicke. Mostramos que a consideração das condições de consistência de mundos brana dentro da estrutura da teoria de Brans-Dicke no bulk permite a existência de branas suaves no caso de cinco dimensões com uma dimensão extra compacta. Ao estudar as regras de soma na teoria de Brans-Dicke e f(R)-Einstein-Palatini, pudemos mostrar que a brana que gera o potencial de campo escalar é relevante para relaxar as restrições gravitacionais. Já para a segunda abordagem, estudamos a evolução cosmológica com branas não-singulares geradas por um campo escalar no bulk acoplado à gravidade. A configuração específica investigada leva à branas com um warp factor dependente do tempo. Calculamos o parâmetro efetivo de Hubble advindo do fator de escala efetivo para as soluções de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker obtidas. As soluções de branas espacialmente dependentes também foram encontradas.

Orientador: Alvaro de Souza Dutra
Banca: Denis Dalmazi
Banca: Saulo Henrique Pereira
Banca: Maria Emilia Xavier Guimarães
Banca: Roldão da Rocha Júnior
Resumo: Este trabalho contém duas abordagens concernentes às dimensões extras. Na primeira abordagem, investigamos duas teorias modificadas da gravitação em dimensões arbitrárias, f(R)-Einstein-Palatini e a teoria de Brans-Dicke. Mostramos que a consideração das condições de consistência de mundos brana dentro da estrutura da teoria de Brans-Dicke no bulk permite a existência de branas suaves no caso de cinco dimensões com uma dimensão extra compacta. Ao estudar as regras de soma na teoria de Brans-Dicke e f(R)-Einstein-Palatini, pudemos mostrar que a brana que gera o potencial de campo escalar é relevante para relaxar as restrições gravitacionais. Já para a segunda abordagem, estudamos a evolução cosmológica com branas não-singulares geradas por um campo escalar no bulk acoplado à gravidade. A configuração específica investigada leva à branas com um warp factor dependente do tempo. Calculamos o parâmetro efetivo de Hubble advindo do fator de escala efetivo para as soluções de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker obtidas. As soluções de branas espacialmente dependentes também foram encontradas
Abstract: This work contains two approaches concerning extra dimensions. In the first approach, we investigate two modified theories of gravitation in arbitrary dimensions, f(R)-EinsteinPalatini and the Brans-Dicke theory. We have shown that the consideration of the brane world consistency conditions within the structure of the Brans-Dicke theory in bulk allows the existence of soft branes in the case of five dimensions with an extra compact dimension. When studying the rules of addition in the Brans-Dicke and f(R)-Einstein-Palatini theory, we could show that the brane that generates scalar field potential is relevant to relax the gravitational constraints. For the second approach, we study the cosmological evolution with non-singular branes generated by a scalar field in the bulk coupled to gravity. The specific configuration investigated leads to branes with a warp dependent factor. We calculated the effective Hubble parameter and the e§ective scale factor for the FriedmannLemaÓtre-Robertson-Walker-solutions obtained. Spatially-dependent brane solutions have also been found
Doutor

2007/2008
The thesis is focused on the dynamics of galaxies in the outskirts of galaxy clusters, where the matter is affected by an overall infall motion towards the cluster centre. Starting from the classical results of the spherical collapse model, we determined new theoretical constraints for the mass profile of clusters as a function of the cosmological parameters. We investigated the importance of the turnaround radius (i.e. the radius where the infall motion counterbalances the Hubble expansion motion) as well as the possibility of directly extracting the mass profile from the infall velocity pattern of member galaxies. The theoretical results were applied to a sample of simulated clusters (Borgani et al. 2004, Biviano et al. 2006) to keep the 3-dimensional dynamics under control. We demonstrated that: (1) most clusters are compatible with a single mass profile in the external region (provided their size and mass are normalized to the turnaround scale); (2) it is possible to extract the individual mass profiles of clusters using a selected subset of galaxies identified on their redshift-position distribution; (3) the Jeans equation and the virial theorem must be corrected in the outskirts of clusters to take into account the overall infall motion of matter. Taking advantage of these results, we developed a new technique for estimating the mass profile in cluster outskirts which only relies on the observational properties of member galaxies. This technique turns out to be simpler and more reliable than the current methods and is suitable to be applied to observations.
La tesi è incentrata sulla dinamica delle galassie nelle periferie degli ammassi di galassie, dove la materia è interessata da un moto complessivo di caduta verso il centro dell'ammasso. A partire dai risultati classici del modello di collasso sferico, abbiamo determinato dei nuovi vincoli teorici al profilo di massa degli ammassi in funzione dei parametri cosmologici. Abbiamo analizzato l'importanza del raggio di "turnaround" (ossia il raggio dove il moto di caduta è controblanciato dal moto di espansione di Hubble) e la possibilità di estrarre il profilo di massa direttamente dalla velocità di caduta delle galassie. Abbiamo poi applicato questi risultati teorici a un campione di ammassi simulati (Borgani et al. 2004, Biviano et al. 2006) per tenere sotto controllo la dinamica in tre dimensioni. Con quest'analisi, siamo stati in grado di dimostrare che: (1) la quasi totalità degli ammassi è compatibile con un unico profilo di massa nelle regioni esterne (purché le loro dimensioni e masse siano riscalate rispetto al raggio di turnaround); (2) è possibile estrarre il profilo individuale di un ammasso utilizzando un ristretto sottoinsieme di galassie, identificate dalla distribuzione dei loro redshift e delle loro posizioni; (3) l'equazione di Jeans e il teorema del viriale devono essere corretti nelle periferie degli ammassi in modo da tener conto del moto di caduta della materia. Grazie a questi risultati, abbiamo sviluppato una nuova tecnica per stimare il profilo di massa nelle zone esterne, basata unicamente sulle proprietà osservative delle galassie. Questa tecnica risulta essere più semplice e affidabile degli altri metodi attualmente utilizzati ed è adatta ad essere applicata alle osservazioni.
XXI Ciclo
1981

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:29:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_6393_.pdf: 4466157 bytes, checksum: ef3af7c4e410024468405cd60417e4cc (MD5) Previous issue date: 2013-03-12
Investigamos a consistência causal e termodinâmica de modelos cosmo-lógicos em Gravitação Cúbica Quase-Topológica (GQT), tal como suas consequências fenomenológicas. Para superpotenciais apropriados de um inflaton auto-interagente, derivamos uma forma analítica do fator de escala que reproduz caracterstícas importantes da evolução do Universo. Calculamos a entropia dos horizontes aparentes e demonstramos que as condições para que esta entropia seja uma função crescente e positiva levam a restrições sobre os valores máaximos da densidade de energia. Os valores -fisicamente permitidos dos dois novos acoplamentos gravitacionais da GQT são então determinados. De modo similar ao que acontece no caso da gravitação de Einstein- Hilbert (EH), as equações de Friedmann generalizadas da GQT são deduzidas a partir da Primeira Lei Generalizada da Termodinâmica. Estuda-se em detalhes um modelo cosmológico cuja equação de estado na gravitação EH é linear. Uma importante consequência das correções da GQT se comparadas com a gravitação EH é a presenca de um novo período de aceleração do Universo jovem. Calculamos as correções dos diamantes causais de Bousso, e demonstramos que seu Princípio Entrópico Causal, no contexto da GQT, continua fornecendo o valor observado - extremamente pequeno - da constante cosmológica.

Nesta tese apresentamos vários aspectos das teorias de gravidade quântica anisotrópica. Introduzimos a simetria de Lifshitz, que promove a ansitropia entre espaço e tempo e mostramos como esta ansitropia melhora o comportamento das teorias em altas energias, quando comparadas com teorias relativísticas. Mostramos também o mecanismo pelo qual teorias anisotrópicas podem ser efetivamente relativísticas em baixas energias. Construímos a teoria de gravidade quântica anisotrópica (gravidade HL) e discutimos suas variações. Mostramos as principais consequências físicas da versão projetável da teoria, como soluções esfericamente simétricas e cosmológicas. Apontamos para o aparecimento de um grau de liberdade extra na teoria, quando comparada à Relatividade Geral, o gráviton escalar, e discutimos os problemas a ele associados. Apresentamos a proposta de Horava e Melby-Thompson da gravidade anisotrópica covariante, que é livre do gráviton escalar. Em seguida, mostramos a nossa contribuição para a área, que é formalismo de acoplamento mínimo, que generaliza o procedimento de Horava e Melby-Thompson e aponta para possíveis termos de acoplamento entre gravitação e matéria. Questões em aberto são apontadas e discutidas.
In this thesis we present some aspects of anisotropic gravity theories. We introduce the Lifshitz symmetry, which produces an anisotropy between space and time and show how this anisotropy improves the high energy behavior of theories when compared with their relativistic counterparts. We also show the mechanism that ensures anisotropic theories can be effectively relativistic at low energies. We build the anisotropic gravity theory (HL theory) and discuss some of its versions. We show the major physical consequences of projectable version of HL theory, as spherically symmetric solutions and cosmology. We point out to the appearance of an extra degree of freedom in HL theory when compared to General Relativity, the scalar graviton, and discuss the issues it presents. We present the proposal of Horava and Melby-Thompson of co variant anisotropic gravity, which is scalar graviton free. Subsequently, we show our proposal of a minimal coupling formalism, which generalizes the Horava and Melby-Thompsons procedure and leads to possible couplings between gravity and matter. Open issues are pointed out and discussed.

Submitted by Liliane Ferreira (ljuvencia30@gmail.com) on 2018-08-21T12:44:31Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Elias Vieira - 2018.pdf: 1438523 bytes, checksum: 81df75730e0ab41f69b4619af81cd7a2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5)
Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-08-22T12:42:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Elias Vieira - 2018.pdf: 1438523 bytes, checksum: 81df75730e0ab41f69b4619af81cd7a2 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5)
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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
In this work, we study topological defects in classical field theory aiming applications in cosmology. Topological and non-topological solutions were investigated in two dimensions, where we also analyzed the stability of some of these. We consider models of one and two real scalar fields, whose solutions were obtained via quadrature, BPS and orbit methods. The stability of these solutions also were investigated in some cases. In order to apply scalar field theory in cosmology, we revisit some topics of general relativity, such that the principle of equivalence, Einstein's field equations and Schwarzschild's solution for Einstein's equation. We also present some topics in cosmology, relevant to the present work, such that the cosmological principle, Hubble's law and cosmological inflation. We discuss the solutions of the Einstein's equations in the FRW metric in the so-called Hot Big Bang model-the universe composed of matter and radiation. In order to solve some problems of initial conditions of the universe, we introduce the inflationary theory, which supposes that the primordial universe was underwent an accelerated expansion guided by a scalar field. In sequence, we introduce the standard cosmological model, which states that the universe is in accelerated expansion driving by a cosmological constant, named dark energy, which constitutes about seventy percent of the universe energy. Finally, we present a first order formalism for cosmology and discuss two model describing the standard and tachyonics dynamics for scalar field that represent the dark energy.
Neste trabalho foram abordadas soluções do tipo defeitos topológicos em teoria clássica de campos. Foram investigadas soluções topológicas e não topológicas em duas dimensões, onde também analisamos a estabilidade de algumas destas. Consideramos modelos de um e dois campos escalares reais, onde utilizamos os métodos de quadratura, BPS e das órbitas para obter soluções. Com o intuito de aplicar a teoria de campos escalares em cosmologia, introduzimos a teoria da relatividade geral, falando sobre o princípio da equivalência, equações de campo de Einstein e solução de Schwarzschild para as equações de Einstein. Abordamos alguns tópicos em cosmologia, onde enunciamos o princípio cosmológico, lei de Hubble e inflação cosmológica. Resolvemos as equações de Einstein na métrica FRW considerando o universo composto de matéria e radiação denominado modelo Big Bang quente. Com o objetivo de resolver alguns problemas de condições iniciais do universo, introduzimos a teoria inflacionária, a qual propõe que o universo primordial sofreu uma expansão acelerada guiada por um campo escalar. Após mostrar como a teoria da inflação corrige tais problemas, apresentamos o modelo cosmológico padrão, o qual afirma que o universo está em expansão acelerada e utiliza uma constante cosmológica como guia da expansão, tal constante neste cenário representa a denominada energia escura que compõe aproximadamente setenta por cento do universo. Finalmente, nós apresentamos o formalismo de primeira ordem para cosmologia e discutimos dois modelos descrevendo dinâmicas padrão e taquiônica para o campo escalar, representando a energia escura.

Submitted by Leonardo Cavalcante (leo.ocavalcante@gmail.com) on 2018-04-30T14:18:12Z No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 1310917 bytes, checksum: 54733929b9cb3c26ca0a0dc1adb0ae42 (MD5)
Made available in DSpace on 2018-04-30T14:18:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 1310917 bytes, checksum: 54733929b9cb3c26ca0a0dc1adb0ae42 (MD5) Previous issue date: 2015-02-27
Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq
Modifed theories of gravity has the objective to elucidate some open issues in the context of general relativity. From this perspective many theories have been proposed over the years. In this paper we deal with some of these theories and, for each of them, we gave our contribution proposing new scenarios that showed promise. So in the context of braneworld theory we held the first studies in three dimensional DGP theory, with terms of induced gravity of the new massive gravity type. The study of the propagators of disturbed theory showed unit propagation modes without the presence of tachyons. As regards to the Horava-Lifshitz theory, we studied the structure of membranes with scalar fields in 4+1 dimensions and the formation of black holes in 1+1 dimensions has been obtained for the first time. In the two previous cases we deal with nonprojectable version of this theory. Have also studied braneworld models in a bimetric theory where gravity is coupled to the scalar field that connects the two metrics. Although the scalar field having a linear term kinetic the theory remained stable and gravity localization was obtained. Finally, we apply the theory of gravitation with nondynamical fields to a cosmological model and found that for a certain specific stage of the Universe Expansion is possible to have a mechanism that generates a self tuning of the cosmological constant problem.
Teorias de gravidade modificada tem como objetivo elucidar alguns problemas em aberto no âmbito da Relatividade Geral. Dentro desta perspectiva muitas teorias foram propostas ao longo dos anos. Neste trabalho abordamos algumas destas teorias e, para cada uma delas, demos a nossa contribuição propondo novos cenários que se mostraram promissores. Assim, no contexto das teorias de mundo-brana estudamos pela primeira vez teorias do tipo DGP em 2+1 dimensões, com termos de gravidade induzida do tipo nova gravidade massiva. O estudo dos propagadores da teoria perturbada mostrou a propagação de modos unitários e sem a presença de táquions. No que diz respeito à teoria de Horava-Lifshitz, estudamos a estrutura de branas com campos escalares em 4+1 dimensões e a formação de buracos em 1+1 foi obtida pela primeira vez. Nos dois casos anteriores tratamos da versão não projetável desta teoria. Estudamos ainda modelos de mundo-brana em uma teoria com bimétrica onde a gravidade se acopla ao campo escalar que conecta as duas métricas. Apesar de o campo escalar possuir um termo cinético linear a teoria se mostrou estável e localização da gravidade foi obtida. Por fim, aplicamos a teoria da gravitação com campos não dinâmicos a um modelo cosmológico e constatamos que para certa fase específica da expansão do Universo é possível termos um mecanismo que gera um auto ajuste da constante cosmológica.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2013.
Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-11-08T10:09:51Z No. of bitstreams: 1 2013_JulianoAlvesdeDeus.pdf: 1564093 bytes, checksum: fd93f06486fa044365b5aa1c653a0c41 (MD5)
Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-12-13T13:44:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_JulianoAlvesdeDeus.pdf: 1564093 bytes, checksum: fd93f06486fa044365b5aa1c653a0c41 (MD5)
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Neste trabalho de Tese de Doutorado, estudamos os modelos cosmológicos de Bianchi no âmbito da teoria quadrática da gravidade, e analisamos numericamente as soluções de vácuo das equações de campo, com ênfase na busca de interpretações cosmológicas. O interesse deste trabalho reside nos modelos espacialmente homogêneos de Bianchi. Os tipos I, VIIA e IX de Bianchi são muito importantes do ponto de vista cosmoló- gico, pois constituem generalizações anisotrópicas dos modelos de Friedmann-Robertson- Walker (FRW) plano, aberto e fechado, respectivamente. Modelos homogêneos isotró- picos, tais como FRW, constituem o foco das atenções na descrição do universo atual. Porém, nas condições do universo primordial, modelos anisotrópicos, como os de Bianchi, adquirem maior importância. Neste trabalho, resolvemos as soluções de vácuo, caracterizadas por um cenário onde a geometria do universo é dominante sobre matéria e energia, tal como o universo próximo ao seu surgimento. As soluções obtidas mostram, de acordo com a análise assintótica discutida nos resultados, que para os universos de Bianchi I e VIIA, os espaços de Minkowski e de Sitter devem ser estruturalmente estáveis no contexto da gravidade quadrática. Do mesmo modo, as soluções de Minkowski e de Sitter devem ser estruturalmente estáveis para os universos FRW na mesma gravidade quadrática. No entanto, mostramos a existência de singularidades, o que demonstra que certamente a teoria não está completa, pois nem todo conjunto de condições iniciais evolui para universos razoáveis. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT
In this Thesis work, we study Bianchi cosmological models in the context of quadratic theory of gravity, and we numericaly analyze the vacuum solutions of field equations, emphasizing the search of cosmological interpretations. The interest of this work is on the spacially homogeneous models of Bianchi. Types I, VIIA and IX of Bianchi are very importante in the cosmological view, because they perform anisotropic generalizations of Friedmann-Robertson-Walker (FRW) flat, open and closed models, respectively. Isotropic homogeneous models, as FRW, represent the focus in the description of current universe. However, over conditions of primordial universe, anisotropic models, as Bianchi, become more important. In this work, we solve the vacuum solutions, caracterized by a scenario where universe geometry is dominant over matter and energy, such as the universe close to his emergence. Obtained solutions show, according to the asymptotical analysis discussed in the results, that for Bianchi I and VIIA universes, Minkowski and de Sitter spaces must be structurally stable in the context of quadratic gravity. Similarly, Minkowski and de Sitter solutions must be structurally stable for FRW universes in same context. However, we show the existence of singularities, what means the theory certainly is not complete, because not all sets of initial conditions evolve to reasonable universes.

Este trabalho intenta mostrar a presença da Filosofia e, em particular, da Metafísica no sonho perseguido pela actual Física das Partículas que é o da procura e obtenção de uma Teoria Final ou GUT «Grand Unified Theory», uma espécie de «Equação Final» do tipo matemático que contenha todas as leis da Natureza na sua formulação. Para isso, faremos uma breve incursão sobre as principais teogonias, cosmogonias e teocosmogonias que orientaram a vida de muitos povos e, em especial da Grécia, berço da nossa civilização, bem como dos grandes paradigmas científicos que estão e estiveram na base de grande parte do nosso actual conhecimento. Procuraremos encontrar aí, pelo menos alguns dos fundamentos que podem eventualmente explicar ou justificar este desiderato da Física, reabilitando talvez e sem que tal tenha sido por nós pretendido, a Filosofia e o seu iniludível papel na formação e consolidação do conhecimento humano.

Made available in DSpace on 2018-08-01T21:59:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_11457_Tese William Algoner - PPGFis.pdf: 5835750 bytes, checksum: 043817c033720f1760da8dae6cb7da79 (MD5) Previous issue date: 2017-10-05
As medições cosmológicas tanto da história de expansão H(z) como da história de crescimento fσ8 (z) amadureceram e, em conjunto, fornecem um importante teste ao modelo cosmológico da teoria escalar-tensorial, em particular a do tipo Brans-Dicke, que fornece uma extensão ao modelo ΛCDM. Nós contruímos uma expressão analítica explicita (através de um ansatz) como uma modificação da taxa de Hubble do modelo ΛCDM, na qual, é dada em termos de um parâmetro constante m, que quantifica as diferenças entre a dinâmica do fundo das teorias escalar-tensorial e a relatividade geral; realizando assim um análise estatístico de SNIa, H(z) e BAO para encontrar o ajuste mínimo do parâmetro constante. Para completar nosso sistema, introduzimos as equações das perturbações da dinâmica de fluidos, a extensão do ΛCDM, no que diz a respeito, desenvolve uma abordagem do fluido efetivo para a função de crescimento da matéria. Nós quantificamos o impacto de desvios do fundo padrão, da pressão anisotrópica e não negligenciando as componentes efetivas da perturbaçãode energia escura sobre a função de taxa de crescimento da matéria fσ8 e comparar estes resultados com as medições recentes da distorção de espaço para redshift (RSD).

Este trabalho intenta mostrar a presença da Filosofia e, em particular, da Metafísica no sonho perseguido pela actual Física das Partículas que é o da procura e obtenção de uma Teoria Final ou GUT «Grand Unified Theory», uma espécie de «Equação Final» do tipo matemático que contenha todas as leis da Natureza na sua formulação. Para isso, faremos uma breve incursão sobre as principais teogonias, cosmogonias e teocosmogonias que orientaram a vida de muitos povos e, em especial da Grécia, berço da nossa civilização, bem como dos grandes paradigmas científicos que estão e estiveram na base de grande parte do nosso actual conhecimento. Procuraremos encontrar aí, pelo menos alguns dos fundamentos que podem eventualmente explicar ou justificar este desiderato da Física, reabilitando talvez e sem que tal tenha sido por nós pretendido, a Filosofia e o seu iniludível papel na formação e consolidação do conhecimento humano.

Com os próximos grandes projetos the observação do Universo, a cosmologia entrará em uma era de alta precisão de medidas. Novos dados trarão um novo entendimento da evolução do Universo, seus principais componentes e do comportamento da gravi- dade. Sendo assim, é fundamental também ter uma boa predição teórica para a formação de estrutura de larga escala em regime não-linear. A melhor maneira de resolver as equações hidrodinâmicas que descrevem o nosso universo é por meio de simulações cosmológicas na rede. Entretando, estas contém desafios, como a correta inclusão de física bariônica e a diminuição do alto tempo computacional. Uma outra abordagem muito usada é o cálculo das funções de cor- relação por meio de métodos perturbativos (em inglês, Standard Perturbation Theory, ou SPT). Entretanto, esta contém problemas variados: pode não convergir para algu- mas cosmologias e, caso convirja, não há certeza de convergência para o resultado correto. Além disso, há uma escala privilegiada nos limites integrais que envolvem o método perturbativo. Nós calculamos o resultado por esse método até terceira ordem e mostramos que o termo de terceira ordem é ainda maior que o de 2-loops e 3-loops. Isso evidencia alguns problemas descritos com o método perturbativo. O método de Teorias Efetivas de Campo aplicado ao estudo de LSS busca corrigir os problemas da SPT e, desta forma, complementar os resultados de simulações na rede. Em outras áreas da física, como a Cromodinâmica Quântica de baixas energias, EFTs também são usadas como um complemento a essas simulações na rede. EFTs melhoram a predição do espectro de potência da matéria por meio da inclusão dos chamados contra-termos, que precisam ser fitados em simulações. Estes contratermos, que são parâmetros livres, contém importante informação sobre como a física em pequenas escalas afeta a física nas escalas de interesse. Explicaremos os resultados para a predição em 3-loops de EFT, trabalho inédito. É possível usar as EFTs também no problema de conectar a campo de matéria com outros traçadores, como os halos e as galáxias, chamado de bias. Com as EFTs podemos construir uma base completa de operadores para parametrizar o bias. Será explicado como utilizar esses operadores para melhorar a predição do bias em escalas não-lineares. Serão calculados esses termos de EFT em simulações. Também será mostrado como renormalizar o bias em coordenadas de Lagrange. Por fim, será explicada outra importante aplicação das EFTs em cosmologia, mais especificamente em teorias de inflação. EFTs parametrizam desvios nas teorias de um campo único no chamado regime de slow-roll.
With future cosmological surveys, cosmology will enter in the precision era. New data will improve the constraints on the standard cosmological model enhancing our knowledge about the universe history, its components and the behavior of gravity. In this context, it is vital to come up with precise theoretical predictions for the formation of large-scale structure beyond the linear regime. The best way of solving the fluid equations that describe the large-scale universe is through lattice simulations, which faces difficulties in the inclusion of accurate baryonic physics and is very computationally costly. Another approach is the theoreti- cal calculation of the correlation statistics through the perturbative approach, called Standard Perturbation Theory (SPT). However, SPT has several problems: for some cosmologies, it may not converge and even when it converges, we cannot be sure it converges to the right result. Also, it contains a special scale that is the loop momenta upper-bound in the integral. In this work, we show results for the 3-loop calculation. The term of third order is larger than the terms of 2-loops and 3-loops, making explicit SPT problems. In this work, we describe the recent usage of Effective Field Theories (EFTs) on Large Scale Structure problems to correct SPT issues and complement cosmological simulations. EFTs are used in other areas of physics, such as low energy QCD, serving as a complement to lattice calculations. EFT improves the predictions for the matter power spectrum and bispectrum by adding counterterms that need to be fitted. The free parameters, instead of being a problem, bring relevant information about how the small-scale physics affects the scales for which we are trying to make statistical predictions. We show the calculation of the 3-loop EFT counterterms. EFTs are also used to explain main points connecting the matter density field with tracers like galaxies and halos. EFTs highlighted how to construct a complete basis of operators that parametrize the bias. We explain how we can use EFT to improve the bias prediction to non-linear scales. We compute the non-linear halo-bias by fitting the bias parameters in simulations. We also show the EFT renormalization in Lagrangian coordinates. Finally, we explain another critical EFT application to cosmology: in primordial physics. It can be used to parametrize deviations to the slow-roll theory within the inflationary paradigm.

The first part of the thesis concerns the study of inflation in the context of a theory of gravity called "Induced Gravity" in which the gravitational coupling varies in time according to the dynamics of the very same scalar field (the "inflaton") driving inflation, while taking on the value measured today since the end of inflation. Through the analytical and numerical analysis of scalar and tensor cosmological perturbations we show that the model leads to consistent predictions for a broad variety of symmetry-breaking inflaton's potentials, once that a dimensionless parameter entering into the action is properly constrained. We also discuss the average expansion of the Universe after inflation (when the inflaton undergoes coherent oscillations about the minimum of its potential) and determine the effective equation of state. Finally, we analyze the resonant and perturbative decay of the inflaton during (p)reheating. The second part is devoted to the study of a proposal for a quantum theory of gravity dubbed "Horava-Lifshitz (HL) Gravity" which relies on power-counting renormalizability while explicitly breaking Lorentz invariance. We test a pair of variants of the theory ("projectable" and "non-projectable") on a cosmological background and with the inclusion of scalar field matter. By inspecting the quadratic action for the linear scalar cosmological perturbations we determine the actual number of propagating degrees of freedom and realize that the theory, being endowed with less symmetries than General Relativity, does admit an extra gravitational degree of freedom which is potentially unstable. More specifically, we conclude that in the case of projectable HL Gravity the extra mode is either a ghost or a tachyon, whereas in the case of non-projectable HL Gravity the extra mode can be made well-behaved for suitable choices of a pair of free dimensionless parameters and, moreover, turns out to decouple from the low-energy Physics.

The first part of the thesis concerns the study of inflation in the context of a theory of gravity called "Induced Gravity" in which the gravitational coupling varies in time according to the dynamics of the very same scalar field (the "inflaton") driving inflation, while taking on the value measured today since the end of inflation. Through the analytical and numerical analysis of scalar and tensor cosmological perturbations we show that the model leads to consistent predictions for a broad variety of symmetry-breaking inflaton's potentials, once that a dimensionless parameter entering into the action is properly constrained. We also discuss the average expansion of the Universe after inflation (when the inflaton undergoes coherent oscillations about the minimum of its potential) and determine the effective equation of state. Finally, we analyze the resonant and perturbative decay of the inflaton during (p)reheating. The second part is devoted to the study of a proposal for a quantum theory of gravity dubbed "Horava-Lifshitz (HL) Gravity" which relies on power-counting renormalizability while explicitly breaking Lorentz invariance. We test a pair of variants of the theory ("projectable" and "non-projectable") on a cosmological background and with the inclusion of scalar field matter. By inspecting the quadratic action for the linear scalar cosmological perturbations we determine the actual number of propagating degrees of freedom and realize that the theory, being endowed with less symmetries than General Relativity, does admit an extra gravitational degree of freedom which is potentially unstable. More specifically, we conclude that in the case of projectable HL Gravity the extra mode is either a ghost or a tachyon, whereas in the case of non-projectable HL Gravity the extra mode can be made well-behaved for suitable choices of a pair of free dimensionless parameters and, moreover, turns out to decouple from the low-energy Physics.

Lo scopo di questa tesi è illustrare il paradigma dell’inflazione cosmologica descrivendo in particolare la teoria dell’inflazione R^2. In una prima sezione si fa riferimento al contesto della relatività generale per descrivere l’universo su larga scala. Vengono prese in esame le ipotesi utilizzate per ottenere il modello standard della cosmologia e le principali proprietà che da esso possono essere ricavate. Si focalizza quindi l’analisi sulla descrizione dell’universo primordiale da cui traggono origine le ipotesi dell’esistenza dell’epoca inflazionaria esponendo, in particolare, come questa teoria riesca a risolvere i problemi della piattezza e dell’orizzonte cosmologico. Viene poi descritto come la fase di espansione esponenziale richiesta da queste ipotesi possa essere generata dalla presenza di un campo scalare φ specifico. Particolare risalto è dato alla descrizione dell’approssimazione di ”slow-roll” ed ai vincoli sul numero di ”e-folding”. Una seconda sezione mostra l’applicazione dell’analisi generale esposta in precedenza al modello di inflazione di Starobinsky. A tal fine sono descritte le caratteristiche delle teorie della gravità f(R) con particolare attenzione alle trasformazioni conformi e scelta del frame. Attraverso l’esposizione delle equazioni di campo cosmologiche nella teoria della gravità R^2 si mostra come il processo di espansione inflazionaria dell’universo nelle sue fasi iniziali possa essere descritto da un comportamento non standard della gravità ad alte energie. Sono riportati i risultati principali ottenuti con questa teoria nel frame di Jordan e in quello di Einstein. La conclusione descrive in sintesi lo stato attuale delle osservazioni sperimentali e come queste abbiano un legame stretto con la teoria delle perturbazioni cosmologiche. In particolare, presentando i risultati ottenuti nel contesto dell’inflazione R^2 ed esponendo gli ultimi dati raccolti dall’esperimento Planck, si analizza come il modello sia in accordo con i dati sperimentali attualmente disponibili.

In the present thesis I focused on the study of the phenomenology arising from a class of string models called sequestered compactifications, which were born with the aim of getting low-energy SUSY from strings. This is not an easy task if combined with cosmological constraints, since the mechanism of moduli stabilization fixes both the scale of supersymmetric particles and the scale of moduli, which tend to be of the same order. However, if on the one hand supersymmetric particles with TeV mass are desired in order to address the electroweak hierarchy problem, on the other hand the cosmological moduli problem requires the moduli to be heavier than 100 TeV. The specific setup of sequestered compactifications makes this hierarchy achievable, at least in principle: as in these models the visible sector is located on a stack of D3-branes at singularities, a physical separation between the visible degrees of freedom and the SUSY-breaking sources takes place. Such decoupling translates into a hierarchy between the scale of SUSY-breaking and the spectrum of supersymmetric particles. Interestingly, moduli are the four-dimensional manifestation of the existence of extra-dimensions. Since they are only gravitationally coupled, they could decay late in the history of the universe, affecting in a significant way its cosmological evolution. Possible deviations of the cosmological observables from the values predicted by the standard Hot Big Bang Theory constitute an interesting alternative for the discovery of new physics beyond the Standard Model, which is complementary to the particle physics search. For this reason in addition to SUSY-breaking in sequestered models, I also studied several cosmological scenarios arising from them, such as production of non-thermal dark matter and dark radiation, reheating from moduli decay and inflation.

In the present thesis I focused on the study of the phenomenology arising from a class of string models called sequestered compactifications, which were born with the aim of getting low-energy SUSY from strings. This is not an easy task if combined with cosmological constraints, since the mechanism of moduli stabilization fixes both the scale of supersymmetric particles and the scale of moduli, which tend to be of the same order. However, if on the one hand supersymmetric particles with TeV mass are desired in order to address the electroweak hierarchy problem, on the other hand the cosmological moduli problem requires the moduli to be heavier than 100 TeV. The specific setup of sequestered compactifications makes this hierarchy achievable, at least in principle: as in these models the visible sector is located on a stack of D3-branes at singularities, a physical separation between the visible degrees of freedom and the SUSY-breaking sources takes place. Such decoupling translates into a hierarchy between the scale of SUSY-breaking and the spectrum of supersymmetric particles. Interestingly, moduli are the four-dimensional manifestation of the existence of extra-dimensions. Since they are only gravitationally coupled, they could decay late in the history of the universe, affecting in a significant way its cosmological evolution. Possible deviations of the cosmological observables from the values predicted by the standard Hot Big Bang Theory constitute an interesting alternative for the discovery of new physics beyond the Standard Model, which is complementary to the particle physics search. For this reason in addition to SUSY-breaking in sequestered models, I also studied several cosmological scenarios arising from them, such as production of non-thermal dark matter and dark radiation, reheating from moduli decay and inflation.

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-03-27T20:01:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Gabriela.pdf: 843856 bytes, checksum: 3aa488c7e5d61fb3e949ba59b71dc756 (MD5)
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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
Nesta dissertação estudamos as soluções de vácuo cilindricamente simétricas no contexto das teorias f(R) da gravitação. Em particular, estudamos a métrica de uma corda cósmica e suas propriedades nestas teorias. Apresentamos, no final, um estudo comparativo entre os resultados encontrados nesta dissertação e os resultados obtidos previamente na literatura no contexto das teorias da Relatividade Geral e Escalares-Tensoriais da Gravitação.
In this thesis we deal with cylindrically symmetric solutions in the context of the f(R) theories of gravity. Using a particular anzatz we find a solution corresponding to a cosmic string. We explore the gravitational properties of this metric and, at the end, we compare our result with previous results obtained in other theories of gravity.

Since the very beginning the Friedmann-Robertson-Walker metric has played one of the most important roles in developing cosmology. The underlying assumptions of maximal symmetry have simplified our general view of the Universe but recent developments in observational cosmology, like the discovery of cosmic acceleration, have demonstrated that a more precise approach is required. Dealing with the inhomogeneities of the matter distribution in the Universe has led to the problem of defining averages in a relativistic framework. After having reviewed the basics of the Standard Model, we introduce the longstanding problem of averaging in relativistic cosmology and the cosmological backreaction in the formulation proposed by Buchert. We follow the suggestion of probing backreaction against data applying the method based on a template friedmaniann-like metric developed by Larena et al. in 2008. We test the backreaction model against SN data of the Union2.1 release, clusters and CMB measurements from Planck and WMAP-9yr using different sets of observables. We find that the improvements in SN and cluster data confirm Larena's results providing slightly better constraints. Unfortunately current CMB data shed light on underlying approximations in matching the backreaction model and standard CMB theory, showing that the derived constraints on cosmological parameters are in contrast with predictions from the other data sets and consequently we have to handle them with care.

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=pα). 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 α: achamos α= -0.089+0.161 -0.128 com nível de 2σ e α < 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 α = 0: este é geralmente considerado indistinguível do modelo ΛCDM 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 ΛCDM.

Orientador: Jose Inacio Cotrim Vasconcellos
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-07-14T20:41:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gomes_AlvaroFernandez_M.pdf: 3503635 bytes, checksum: 29dbf630623066d7e4fcf0b5f7d0f125 (MD5) Previous issue date: 1989
Resumo: O trabalho consiste em um estudo introdutório sobre a Teoria de Bifurcação em Cosmologia, através do estudo da quebra espontânea de simetria (Q.E.S.) em campos gravitacionais. Na Q.E.S. em campos gravitacionais este é introduzido na versão de Einstein, como um campo de gauge a fim de manter a invariância do sistema em questão sob uma transformação conforme. Com isso se fez necessário um estudo preliminar sobre a Teoria de Gauge e também sobre o processo de quebra de simetria (bósons de Goldstone e mecanismo de Higgs)
Abstract: Not informed.
Mestrado
Física
Mestre em Física

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:29:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_9810_Dissertação Pedro Otavio Souza Baqui.pdf: 955809 bytes, checksum: 1395a368e905499c94845de5716fe763 (MD5) Previous issue date: 2016-03-30
O equilíbrio estelar e a cosmologia são ramos da física originadas num só tronco, a relatividade geral. Entretanto é possível descrevê-los sob certas condições utilizando hidrodinâmica newtoniana. O campo de atuação destas equações pode ser estendida com a introdução de um termo de pressão relativística, que atuará como fonte de campo gravitacional. Esse termo de correção ainda não é muito bem entendido de forma que recentemente Hwang e Noh o propuseram alternativamente às teorias hidrodinâmicas semi-relativísticas existentes. Estudaremos os resultados obtidos para as teorias newtonianas, neo-newtonianas e de Hwang-Noh assim como a própria relatividade aplicada a estrelas e cosmologia e os compararemos. Veremos que apesar da previsão de estrelas de nêutrons super gigantes no estudo do equilíbrio estelar, as equações hidrodinâmicas de Hwang-Noh nos trazem, em casos particulares, resultados semelhantes à Relatividade Geral quanto à evolução do universo.

Made available in DSpace on 2018-08-01T21:59:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_10253_Tese final Adriano Mesquita Oliveira.pdf: 11957948 bytes, checksum: f0e81a34e318de26e82cfad74754bf8a (MD5) Previous issue date: 2016-10-06
A estrela de nêutrons é uma estrutura compacta cuja atração gravitacional é sustentada devido a degenerescência do nêutron. Sua origem coincide com o fim do processo de fusão nuclear e é posterior a um processo explosivo, conhecido com Supernova. Nessa estrutura, os constituintes materiais encontram-se em condições extremas, a densidade em seu interior é da ordem da densidade nuclear, o que torna indispensável a utilização de teorias relativísticas para descrevê-la. Em geral, a teoria de Einstein em conjunto com uma equação de estado é utilizada para este fim. Porém, as incertezas sobre o comportamento da matéria e, de certo modo, da própria física nesse regime extremo abre margem para introduzir teorias alternativas para descrever essas estruturas estelares. Nesse contexto, esta tese propõe abordar as consequências, na estrutura da estrela de nêutron, do uso de alguns modelos alternativos à teoria de Newton e de Einstein. Como resultado tem-se, uma primeira aproximação não relativística para essas estruturas, um limite para o parâmetro de Rastall - bem como a solução de vácuo para essa teoria - e uma análise da relevância dos termos inerentes às correções relativísticas.

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:29:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_9807_Dissertação Denis Campos Rodrigues.pdf: 922328 bytes, checksum: dd339492b0b09eff069828df26295d6e (MD5) Previous issue date: 2016-03-17
O estudo da Relatividade Geral minimamente acoplada a um campo escalar em um espaço-tempo estático e esfericamente simétrico mostra que soluções de buraco negro são possíveis mediante a existência de um campo escalar fantasma. Estes buracos negros, considerados exóticos, possuem horizonte de área infinita e temperatura de Hawking igual a zero, por isso são denominados de buracos negros frios. Nosso objetivo neste trabalho é propor um estudo de espaços-tempos estáticos e esfericamente simétricos em teorias de k-essência. Tais teorias são amplamente aplicadas no contexto de expansão acelerada do universo, energia escura e modelos inflacionários, entretanto, há uma lacuna no estudo de objetos locais, como estrelas, buracos negros e buracos de minhoca. Em nosso estudo de teorias de k-essência em configurações estáticas e esfericamente simétricas resultou em duas soluções distintas: uma primeira solução com características semelhantes às encontradas em buracos negros frios, mas com dois horizontes de eventos (de natureza cosmológica) e não assintoticamente plana; e, uma segunda solução com apenas um horizonte de eventos, semelhante à solução de Schwarzschild imersa em espaçotempo assintoticamente singular.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-10-15Bitstream added on 2014-06-13T20:47:45Z : No. of bitstreams: 1 delbem_nf_me_rcla.pdf: 885461 bytes, checksum: 9ba35dff1d53b0378c1e134087c575b7 (MD5)
Universidade Estadual Paulista (UNESP)
Esta dissertação tem a proposta de organizar, discutir e apresentar de maneira precisa os conceitos matemáticos de variedade diferenciável e de tensores envolvidos no estudo da Cosmologia sob o ponto de vista da Teoria da Relatividade Geral para o modelo de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Busca-se assim apresentar um texto didático que possa ser utilizado tanto nos cursos de graduação em Matemática como de Física para uma disciplina optativa de Introdução Matemática à Cosmologia
The goal of this dissertation is to organize and discuss in a rigorous way the mathematical concepts of manifolds and tensors needed to the study of Cosmology and the Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker model under the point of view of the General Relativity. In this way, this dissertation was written as textbook that could be used in an undergraduate course of Physics and Mathematics

Submitted by RENATO DA COSTA SANTOS null (renato.costa87@gmail.com) on 2016-03-02T19:44:58Z No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 1888991 bytes, checksum: c77d5b52416f56a3c90be7e3f7ef385f (MD5)
Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-03-04T12:43:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 santos_rc_dr_ift.pdf: 1888991 bytes, checksum: c77d5b52416f56a3c90be7e3f7ef385f (MD5)
Made available in DSpace on 2016-03-04T12:43:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 santos_rc_dr_ift.pdf: 1888991 bytes, checksum: c77d5b52416f56a3c90be7e3f7ef385f (MD5) Previous issue date: 2016-02-19
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Nesta tese a Teoria das Perturbações Cosmológicas é revisada e três tópicos originais, incluídos neste grande ramo da cosmologia teórica, são apresentados. Começamos introduzindo e deduzindo as fórmulas necessárias partindo de primeiros princípios no capítulo 2. Em seguida, no capítulo 3, estudamos em detalhe Teorias Quânticas de Campos em de Sitter que contêm correntes de spin alto. Mostramos que a existência de correntes de spin alto - mesmo em teorias com interação - pode colocar mais vínculos na função de n-pontos, tornando a teoria assintoticamente gaussiana no futuro longínquo. Este resultado pode ser interpretado como o análogo do teorema de ColemanMandula para o espaço-tempo de de Sitter. O capítulo 4 é dedicado a modelos inflacionários conformes com o campo de Higgs fazendo o papel de Inflaton. Modelos com simetria de Weyl e com simetria SO(1, 1) para valores altos da energia são construídos. Verificamos quais as condições necessárias para que se obtenha um valor arbitrário para a razão escalar tensorial, parâmetro que mede a intensidade de ondas gravitacionais primordiais em um dado modelo. Introduzimos também um acoplamento diferente do valor conforme para a interação do campo escalar com o tensor de curvatura. Isto quebra a simetria de Weyl, mas verificamos que existe um forte atrator na direção da linha de Starobinsky. No último capítulo, aplicamos o efeito do ‘back reaction’ dos modos com comprimentos de onda longo (maiores que o raio de Hubble) em alguns modelos inflacionários e no cenário Ekpyrótico. Checamos se este efeito pode prevenir a inflação eterna nas regiões onde efeitos estocásticos são importantes nestes modelos. Alguns apêndices, com cálculos detalhados, são incluídos no final.
In this thesis the Theory of Cosmological Perturbations is reviewed and three original topics, that are part of this huge branch of theoretical cosmology, are presented. We start by reviewing and deducing the needed formulas from first principles in chapter 2. After it, in chapter 3, we study in detail Quantum Field Theories in de Sitter spacetime that contain Higher Spin currents. We show that the existence of Higher Spin currents - even in the interacting case - can put further constraints on the n-point function, making it asymptotically gaussian in the far future. This result can be interpreted as the analog of Coleman-Mandula theorem for de Sitter spacetime. Chapter 4 is devoted to conformal inflationary models with the Higgs field playing the role of the Inflaton field. We construct models with a Weyl symmetry and a SO(1, 1) symmetry at high energies. It is verified what are the conditions to get an arbitrary value for the tensor to scalar ratio, which measures the amplitude of primordial gravitational waves in a given model. Also, we introduce a coupling, different from the conformal one, for the scalar field and the curvature tensor. This breaks the Weyl symmetry but we verify that there is a strong attractor towards the Starobinsky line. In the last chapter, we apply the back-reaction effect of long wavelength modes (modes with wavelength bigger than the Hubble radius) in some inflationary models and in the Ekpyrotic scenario. We check if this effect could prevent eternal inflation in the region where stochastic effects are important for these models. Some appendices, with detailed calculations, are also included in the end.

Cerca de 25% do conteúdo energético do universo se encontra sob uma forma de natureza ainda não determinada e é conhecida pelo nome de matéria escura. Desde as primeiras especulações acerca de sua existência (Zwicky ~ 1933), vários modelos foram propostos na tentativa de justificar os dados observacionais encontrados mas, até hoje, nenhum deles foi capaz de cumprir essa tarefa a contento. Nesta dissertação, apresentaremos uma breve discussão desses modelos, além de propor um novo, baseado na idéia de que tanto a matéria escura quanto a energia escura possam ser compostas pelo campo escalar de Born-Infeld.
Nearly twenty five percent of the energetic content of the universe appears in a form that is still unknown and is named dark matter. Since the first speculations about its existence (Zwicky ~1933), many models have been proposed trying to justify all the observed data but, until now, none of them has been able to solve this problem. In this monography, we will present a brief discussion about these models and propose a new one, based on the idea that both dark matter and dark energy could be the Born Infeld scalar field.