Simulações hidrodinâmicas relativísticas da transição de fase cosmológica quark-hadron
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| Data de Publicação: | 2015 |
| Tipo de documento: | Tese |
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Resumo: | Orientador: Prof. Dr. Germán Lugones |
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Simulações hidrodinâmicas relativísticas da transição de fase cosmológica quark-hadronCOSMOLOGIATRANSIÇÃO DE FASEONDAS GRAVITACIONAISSIMULAÇÕES NUMÉRICASCOSMOLOGYPHASE TRANSITIONNUMERICAL SIMULATIONSPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA - UFABCOrientador: Prof. Dr. Germán LugonesTese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2015.Durante sua expansão inicial e consequente resfriamento o Universo passou por diversas transições. Uma delas, conhecida como transição de fase da QCD, prevista pelo modelo cosmológico padrão e pela física de partículas, ocorreu por volta de 10 s após o Big Bang, em temperaturas da ordem de 150-200MeV, atuou em quarks e gluôns inicialmente em estado quasi-livre confinando-os em hádrons. A maneira na qual esse processo se deu, pode ter gerado inúmeras implicações nas fases subsequentes e relíquias a serem observadas atualmente. Com o intuito de entender esse processo, resolvemos numericamente as equações de Euler no contexto da relatividade restrita com um código numérico multidimensional desenvolvido durante o trabalho, baseado no método de diferença finita com esquemas de alta ordem para os casos hidrodinâmicos newtoniano e relativístico. Nele empregamos métodos de reconstrução espacial no espaço característico de até sétima ordem, três diferentes separadores de fluxo e esquemas Runge-Kutta de alta estabilidade de terceira e quarta ordem para evolução temporal. Para implementação do caso multidimensional, utilizamos o método "dimensionally unsplit". Os primeiros trabalhos a respeito dessa época partiam do pressuposto que a transição era de primeira ordem e faziam uma análise semi-analítica da nucleação e colisão entre bolhas hadrônicas. Nesses trabalhos era conjecturado que a turbulência criada por esses mecanismos teria um perfil Komolgorov, ou alguma variação, e a partir disso calculava a radiação gravitacional produzida. Contudo resultados obtidos pelos grandes experimentos de colisão de íons pesados no RHIC e LHC, cuja condições geradas possuem algumas similaridades àquelas esperadas no Universo Primordial e nos cálculos feitos pela colaboração Wuppertal-Budapest com teoria da QCD na rede sugerem que, pelos parâmetros provenientes do modelo padrão, essa transição foi analítica, caracterizada por uma transformação suave entre as fases. Nesse cenário, não há mecanismos intrínsecos da transição que possam transferir energias para as escalas maiores para produzir e manter a turbulência no fluido,formando assim espectro diferente dos analisados trabalhos anteriores e consequentemente uma outra evolução do plasma primordial. Através de análises estatísticas e espectrais, propusemos entender a dinâmica de iii um fluido primordial que passa por um transição analítica, estudando a geração de ondas gravitacionais geradas a partir da evolução de um fluido com estado inicial formado por distribuições randômicas de temperatura e velocidade e comparando-as com a curva de sensibilidade do eLISA/NGO. Procuramos entender também como a presença da instabilidade de Kelvin-Helmholtz bidimensional engatilhada a partir das flutuações provenientes de outras eras pode ter influenciado no crescimento de perturbações e da turbulência e suas consequências para o espectro da radiação gravitacional.During its initial expansion and cooling, the Universe passed through several transitions. One of them, know as QCD phase transition occurred around 10 s after the Big Bang, at a temperature of the order of 150-200MeV, confining quarks and gluons that were initially in a quasi-free state into hadrons. The study of this transition is important for understanding the evolution of the Universe, because depending of the manner in which this process took place, we can expect several types of consequences for the subsequent phases as well as different observable relics. In order to understand this process, we solved numerically the Euler equations in the frame of special relativity with a multi-dimensional numerical code developed during the work, based on the finite differences method with high order schemes. We used spatial reconstruction methods in the characteristic space up to seventh order, three different flux-split and Runge-Kutta schemes of high stability of third and fourth order for time evolution. To implement the multidimensional case, we use the dimensionally unsplit method. Most of previous studies on this topic were based on the assumption of a first order transition. Several studies focused on a semi-analytical analysis of the nucleation, growth and collision of bubbles and their relation to the generation of gravitational waves. In these works it was conjectured that the turbulence created by such mechanisms would have a Komolgorov slope, or some variation of it, and from it the gravitational radiation was estimated. However results obtained in large heavy ion collision experiments at RHIC and LHC, whose conditions have some similarities to those expected in the Early Universe, and calculations made by the Wuppertal-Budapest collaboration with Lattice QCD suggest that, with parameters from the standard cosmological model, the transition it is a crossover characterized by a smooth transformation between phases. In this scenario, no intrinsic mechanisms of the transition could transfer the energy to larger scales to produce and maintain turbulence in the fluid, thereby generating a different spectrum of previous work and therefore another evolution of the primordial plasma. Using statistical and spectral analysis, we study the dynamics of a primordial fluid passing through an analytic transition. We study the gravitational waves generated from the motion of a fluid with an initial state consisting of random distributions of temperature and velocity and compare the results with the sensitivity curve of the eLISA/NGO. We also investigate how the presence of the Kelvin-Helmholtz instability may have influenced the growth of perturbations and turbulence and analyze its consequences for the spectrum of gravitational radiation.Lugones, GermánSilveira, Francisco Eugenio MendonçaLandulfo, André Gustavo ScagliusiLima, José Ademir Sales deKowal, GrzegorzRoque, Victor Raphael de Castro Mourão2015info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf147 f. : il.http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=77211http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=77211&midiaext=70587http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=77211&midiaext=70586Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.br/php/capa.php?obra=77211porreponame:Repositório Institucional da UFABCinstname:Universidade Federal do ABC (UFABC)instacron:UFABCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2016-08-18T13:39:37Zoai:BDTD:77211Repositório InstitucionalPUBhttp://www.biblioteca.ufabc.edu.br/oai/oai.phpopendoar:2016-08-18T13:39:37Repositório Institucional da UFABC - Universidade Federal do ABC (UFABC)false |
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