Dark energy and neutrinos in cosmology

Abstract

O paradigma cosmológico predominante é o modelo ΛCDM com curvatura espacialmente plana e com condições iniciais adiabáticas e gaussianas. A letra grega “Λ” designa a constante cosmológica, enquanto a sigla “CDM” significa a Matéria Escura Fria e sem pressão. Até hoje, tal modelo tem sido a descrição mais econômica do Universo que é consistente com grande variedades de dados observacionais. Apesar do seu sucesso, o modelo cosmológico padrão não está isento de barreiras. O problema do horizonte e a planicidade são bem conhecidos com possíveis soluções quando trazemos à cena a teoria da Inflação Cósmica. Além disso, os levantamentos cosmológicos alcançaram uma melhorias significativas na precisão das suas medidas de sinais, o que nos permitiu impor restrições mais rigorosas aos parâmetros do modelo ΛCDM. Quando diferentes conjuntos de dados são combinados, os principais problemas que surgem são as chamadas tensões Hubble e S8. Juntamente com a matéria escura, a energia escura e os neutrinos são dois componentes que merecem atenção especial pelo seu papel importante na física de partículas e na cosmologia. Este trabalho está separado em duas partes. Na primeira parte, forneço uma breve introdução à cosmologia, fornecendo referências para maiores detalhes ao leitor interessado. Inicio com as equações de background e de perturbação derivadas da teoria geral da relatividade de Einstein, e termino com as condições iniciais necessárias para resolver essas equações. Na segunda parte desta Tese, me concentro mais especificamente nos neutrinos e no seu efeito na formação de estruturas do universo, e na energia escura como campo escalar. Os dois últimos capítulos tratam de um artigo publicado e de um trabalho em progresso iniciado na Universidade de Stony Brook, respectivamente.

The prevailing cosmological paradigm is the spatially flat ΛCDM model with adiabatic and Gaussian initial conditions. The Greek letter “Λ” designates the cosmological constant while the acronym “CDM” means the pressureless Cold Dark Matter. Until today, this has been the more economical description of the Universe consistent with an assortment of observational probes. Although its success, the benchmark cosmological model is not absent of issues. The horizon and flatness are well-known long-term problems with possible solutions when we bring the Cosmic Inflation theory. Furthermore, cosmological surveys have attained significant precision improvement in their signal measurements, which have enabled us to impose more stringent constraints on the ΛCDM parameters. When different probes are combined, the main challenges are the so-called Hubble and S8 tensions. Alongside dark matter, dark energy and neutrinos are two components that deserve special attention for their important role in particle physics and cosmology. This work is separated into two parts. In the first one, I provide a brief introduction to cosmology, providing references for further details to the interested reader. This starts with the background and perturbation equations derived from Einstein’s general theory of relativity and ends with the initial condition required to solve those equations. In the second part of this Thesis, I focus more specifically on neutrinos and their effect on structure formation and dark energy as a scalar field. The last two chapters are about a published paper and a work in progress started at Stony Brook University, respectively.