Cubic Galileon theory in the Effective Field theory formalism: a cosmological study

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Albuquerque, Inês Sarranito
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/40471
Resumo: Tese de mestrado, Física (Astrofísica e Cosmologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
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spelling Cubic Galileon theory in the Effective Field theory formalism: a cosmological studyEnergia EscuraGravitação ModificadaObserváveis CosmológicosTeoria de Campo EfetivoCódigos Einstein-BoltzmannTeses de mestrado - 2019Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de mestrado, Física (Astrofísica e Cosmologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019A Cosmologia é a área de estudo dedicada à descrição do Universo como um todo, lidando com questões relacionadas com o seu início, composição e destino. Estes assuntos sempre foram do interesse humano. Todavia, quando em 1915 Einstein publicou a Teoria da Relatividade Geral (RG), a Cosmologia foi relançada, dando-se início a um período de maior precisão e produtividade dentro da área. A RG revolucionou a visão de gravidade vigente, apresentando uma descrição geométrica da interação gravítica onde a última é consequência direta da curvatura do espaço-tempo. O formalismo matemático desta teoria tem-se mostrado bem-sucedido na descrição do Universo, tanto a pequena como a grande escala, registando sucessos como a correta previsão do desvio do periélio de Mercúrio ou a previsão das recém-detetadas ondas gravitacionais. O rigor matemático oferecido pela RG, em conjunto com o sucesso continuado em testes observacionais, levaram ao seu estabelecimento como a teoria da gravitação em vigor, servindo até hoje de base à prática da Cosmologia. No entanto, um dos maiores desafios tanto para a RG como para o Modelo Padrão da Física de Partículas viria a surgir em 1998, quando dados provenientes do estudo de supernovas de tipo Ia mostraram que o Universo está a expandir de forma acelerada. O problema reside no facto de nenhum tipo de matéria ou energia conhecida ou detetada até ao momento ser capaz de explicar esta aceleração. Dentro do formalismo da RG, a explicação mais simples para o fenómeno em questão passa pela introdução da constante cosmológica, ʎ, para descrever uma componente de matéria/energia caracterizada por uma pressão negativa constante. Sabe-se ainda que esta componente de natureza desconhecida, genericamente considerada como uma forma de Energia Escura (EE), precisa de ser a mais abundante no Universo de modo a ajustar os dados observacionais. Adicionalmente, uma grande quantidade e variedade de observações apoia ainda a existência de um tipo de matéria que aparenta não absorver nem emitir radiação eletromagnética. Esta componente, consequentemente designada de Matéria Escura (ME), é ainda restringida observacionalmente a ser não relativista e de natureza não bariónica. Partículas de ME que se movem lentamente em comparação com a luz são designadas por Matéria Escura Fria (Cold Dark Matter - CDM). Atualmente, as observações apontam para um Universo composto por 68.9% de EE e 31.1% de matéria de entre os quais 26.1% são de ME. Desta forma, as componentes padrão, nomeadamente a matéria bariónica e a radiação, contribuem apenas com cerca de 4.9% e 0.001%, sendo completamente dominadas pelo sector “escuro”. De modo a explicar os dados disponíveis, o atual modelo padrão da Cosmologia baseia-se na RG para descrever um Universo com uma componente de EE descrita pela constante cosmológica, ʎ, e uma componente de ME fria. Este é conhecido como o modelo ʎCDM. Apesar de este continuar a ser o modelo que apresenta o melhor ajuste aos dados observacionais, foram-lhe já identificados vários problemas conceptuais. Na sua maioria, as falhas do atual modelo padrão estão relacionadas com a constante cosmológica. A falta de respostas satisfatórias para muitas destas questões levou à formulação de uma grande variedade de modelos alternativos para a expansão acelerada do Universo. Algumas destas propostas continuam a incluir uma componente de EE, podendo esta manter-se constante como no caso de ʎ ou então variar no tempo. Por outro lado, existem propostas nas quais as leis que regem a interação gravítica são modificadas a grandes escalas. No primeiro caso as propostas são designadas como modelos de EE, já no segundo caso é comum falar-se em modelos de Gravitação Modificada (GM). Hoje em dia existe uma variedade e abundância de propostas alternativas para o fenómeno da aceleração cósmica. Tendo isto em conta, e considerando a atual possibilidade de aceder a novos dados observacionais e de melhor qualidade, tornou-se imperativo que os modelos existentes sejam testados de forma rigorosa na esperança de encontrar a melhor proposta possível. Para estudar um modelo ao nível de grandes escalas (> 100 Mpc) recorre-se à teoria de perturbações lineares. Nesta abordagem, começa-se por considerar e analisar um Universo globalmente homogéneo e isotrópico. Este serve depois de base sobre a qual se consideram pequenas perturbações, necessárias para compreender a formação de estrutura no Universo e o desenvolvimento das pequenas heterogeneidades observadas. O estudo da evolução de perturbações e a consideração de observáveis relacionados com a estrutura de grande escala têm provado ser essenciais na distinção entre modelos concorrentes que apresentem histórias de expansão semelhantes. O desafio surge, no entanto, do facto de cada modelo ser, geralmente, descrito por um conjunto de equações e parâmetros específicos. Sendo à partida necessário um tratamento individual para cada proposta. De modo a agilizar e simplificar o processo de teste das propostas existentes, procurou-se encontrar um formalismo mais abrangente, sendo capaz de descrever diferentes modelos de EE/GM e que em simultâneo oferecesse uma forma mais prática de os investigar. Várias abordagens foram então desenvolvidas, de entre as quais se destaca a Teoria de Campo Efetivo (Effective Field Theory - EFT) por manter uma maior conexão com a teoria de gravitação subjacente. A EFT oferece um formalismo geral, ou seja, sem dependência de um modelo específico, que descreve a evolução de perturbações lineares em modelos que apresentem um único grau de liberdade escalar extra. Esta revela ser uma abordagem englobante uma vez que a maioria dos modelos de EE/GM propostos podem ser descritos como modificações da RG através da adição de um campo escalar extra. Dentro do formalismo da EFT, o comportamento tanto ao nível da história de expansão como ao nível das perturbações passa a ser descrito por um conjunto de coeficientes com dependência temporal, designados por funções EFT, que são introduzidos na formulação da ação que descreve a teoria. Esta construção permite que a EFT tenha uma aplicação dual. Por um lado, é possível investigar o efeito de ligar ou desligar um certo conjunto de coeficientes, sem selecionar nenhum modelo em particular. Por outro lado, é também possível estudar um modelo específico após encontrada a correspondência entre este e o formalismo da EFT, isto é, após serem encontradas as formas correspondentes das funções EFT. Adicionalmente, é também comum recorrer a códigos Einstein-Boltzmann para resolver numericamente as equações que descrevem a evolução de perturbações. Este tipo de códigos podem ser construídos de forma particular para tratar um único modelo. No entanto, proceder desta maneira implica um enorme esforço de programação para conseguir cobrir um grande número de propostas. Assim sendo, o formalismo da EFT foi implementado no código público CAMB com o intuito de construir uma ferramenta numérica capaz de servir um grande número de modelos. Desta implementação resultou o código EFTCAMB, o qual pode ser usado para resolver as equações que regem a evolução de perturbações lineares em qualquer modelo que tenha sido previamente traduzido no formalismo da EFT. Desta forma, qualquer modelo que seja abrangido pela EFT pode ser estudado com recurso a um único código de acesso público. O foco desta dissertação recai sobre um modelo específico de GM, o Galileão Cúbico de Escalamento (Scaling Cubic Galileon - SCG), no qual a interação gravítica descrita pela RG é modificada em grandes escalas através da introdução de um campo escalar. Este modelo, em particular, apresenta uma característica peculiar: durante o período inicial da evolução do Universo, as densidades de energia do campo escalar e da matéria/radiação escalam uma com a outra. Este é um traço interessante pois oferece a possibilidade de aliviar o Problema da Coincidência Cósmica, um dos desafios teóricos que afetam o modelo padrão. Nesta dissertação investigámos a fenomenologia do modelo SCG, explorando tanto a sua história de expansão como o seu impacto nos observáveis cosmológicos, avaliando a sua viabilidade enquanto descrição do Universo observado. Para tal, começámos por recorrer a ferramentas de análise dinâmica de modo a determinar a história de expansão do modelo, verificando que este é capaz de reproduzir uma época tardia de expansão acelerada. Procedemos depois à tradução do modelo SCG para o formalismo da EFT de modo a implementá-lo no código EFTCAMB. Para este efeito criámos um pacote relativo ao nosso modelo para o EFTCAMB, que foi usado para evoluir as equações de perturbação e calcular as previsões do modelo para os observáveis cosmológicos. A análise destes resultados revelou a existência de características distinguíveis em relação ao modelo padrão e que podem ser testadas por atuais e futuras observações. Em particular, encontrámos modificações na região de grandes escalas angulares do espectro de potência da Radiação Cósmica de Fundo (RCF), podendo este aparecer suprimido ou aumentado em relação ao modelo padrão. Encontrámos também modificações semelhantes nos espectros de potência da matéria e do efeito de lente gravitacional. Alguns destes traços são de grande interesse cosmológico. Nomeadamente, uma amplitude reduzida na região de grandes escalas angulares do espectro de potência da RCF poderá representar um melhor ajuste aos dados observacionais. Adicionalmente, a supressão do espectro de potência da matéria poderá aliviar a tensão existente entre as medições obtidas a partir da RCF e as provenientes de observações de fenómenos de lente gravitacional. Estas características fazem do modelo SCG um candidato viável a ser investigado pela futura missão Euclid da Agência Espacial Europeia.The late-time accelerated expansion of the Universe is one of the most challenging problems of modern Cosmology. Within the framework of General Relativity, the simplest explanation for this phenomenon is via the introduction of the cosmological constant _. However, the cosmological constant framework is plagued by a series of shortcomings. These have led cosmologists to explore and propose alternative approaches to cosmic acceleration which can range from models of a dynamical dark fluid known as Dark Energy (DE), to long-scale modifications of the gravitational interaction known as Modified Gravity (MG) models. To investigate these proposals it is useful to resort to a model-independent approach. One of such approaches is the Effective Field Theory (EFT) of DE and MG which provides a framework to describe the evolution of linear perturbations in all gravity theories with a single extra scalar degree of freedom. Additionally, the use of Einstein-Boltzmann solvers such as EFTCAMB also simplifies and expedites the testing process. The latter allows one to compute the cosmological observables and make theoretical predictions regarding any model that has been translated into the EFT language. This dissertation is dedicated to the study of a particular MG model, namely the Scaling Cubic Galileon (SCG), where a scalar field is introduced to modify the gravitational interaction on large scales. We have explored both the background phenomenology of the model and its impact on the cosmological observables, evaluating its viability as a description of the Universe and searching for testable features against observational data. To this purpose, we started by applying dynamical analysis tools to determine the model’s expansion history, finding that the SCG is indeed capable of reproducing a late-time period of cosmic acceleration. Following this, we translated the SCG model into the EFT formalism in order to implement it in the EFTCAMB solver. We created a new patch for EFTCAMB specifically for this model which was used to evolve the perturbation equations and compute the model’s predictions for the cosmological observables. From the analysis of these results, we find distinguishable characteristics with respect to the standard model and testable features for both present and future observational surveys. In particular, we find a modified temperature-temperature Cosmic Microwave Background (CMB) power spectra which at low ` can be either suppressed or enhanced with respect to the standard scenario. Similarly, we find modifications in the matter and lensing power spectra. These prove to be interesting characteristics. Indeed, a lower Integrated Sachs-Wolfe tail might in principle provide a better fit to data whereas a suppressed matter power spectra might alleviate the existing tension between CMB and weak gravitational lensing measurements. Such features make the SCG model a viable candidate to be investigated by ESA’s future mission, Euclid.Frusciante, NoemiNunes, NelsonRepositório da Universidade de LisboaAlbuquerque, Inês Sarranito2019-12-10T17:39:08Z201920192019-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/40471TID:202385043enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:39:46Zoai:repositorio.ul.pt:10451/40471Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:54:09.686429Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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