Cosmological production of dark matter in the Universe and in the laboratory
- Autores: Alvaro Parra López
- Directores de la Tesis: Luis Javier Garay Elizondo (dir. tes.), José Alberto Ruiz Cembranos (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2024
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 233
- Títulos paralelos:
- Producción cosmológica de materia oscura en el Universo y en el laboratorio
- Tribunal Calificador de la Tesis: Mercedes Martín Benito (presid.), Javier Rubio Peña (secret.), Alejandro Bermudez Carballo (voc.), Ana Alonso Serrano (voc.), Mar Bastero Gil (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
- Menciones:
- Internacional
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
- Resumen
- español
En esta tesis se estudia la producción cosmológica de partículas en el contexto de la Teoría Cuántica de Campos en Espaciotiempos Curvos y su conexión con la generación de materia oscura, así como la simulación de este mecanismo en experimentos análogos de gravedad. La investigación se centra en entender cómo el espaciotiempo en expansión puede crear partículas a partir del vacío, un fenómeno relevante durante la fase inflacionaria del Universo temprano. Este mecanismo es capaz de explicar el origen de la materia oscura mediante campos espectadores, que, sin acoplarse directamente a otros campos, son influenciados por la dinámica del espaciotiempo.
La tesis se divide en cuatro partes. La Parte I establece las bases teóricas, discutiendo el Modelo Cosmológico Estándar, la teoría inflacionaria y el marco de la Teoría Cuántica de Campos en Espaciotiempos Curvos, donde se discute el formalismo de estados Gaussianos, así como la caracterización del entrelazamiento entre pares de modos producidos por la expansión de la geometría. También se introduce el concepto de gravedad análoga, explorando los condensados de Bose-Einstein como plataformas experimentales para simular teorías de campos en escenarios cosmológicos.
La Parte II se enfoca en la producción cosmológica de partículas en diversos modelos inflacionarios, tanto realistas como "de juguete", considerando campos escalares y vectoriales, y estudiando el papel de la curvatura espacial. Los resultados sugieren que este proceso podría explicar la cantidad observada de materia oscura sin necesidad de física adicional, y destacan el impacto de las inestabilidades taquiónicas durante la fase de oscilación del escalar de Ricci, que aumentan enormemente la eficiencia de la producción.
La Parte III está dedicada al estudio de los condensados de Bose-Einstein para la realización de experimentos de gravedad análoga, explorando la correspondencia entre fonones y campos escalares sin masa en universos de tipo Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker que se da en estos sistemas. Los resultados experimentales muestran cómo el espectro de fluctuaciones de los fonones, es decir, de los análogos a los pares de partículas producidas cosmológicamente, permite obtener información sobre la evolución de la geometría. Además, se reinterpretan los procesos de producción cosmológica como problemas de dispersión en potenciales unidimensionales. Por último, se proponen métodos para caracterizar el entrelazamiento de pares de partículas análogas producidas en este contexto, confirmando la utilidad de estos experimentos para explorar la naturaleza cuántica de dichos fenómenos.
La Parte IV aúna conceptos de ambas partes anteriores, permitiendo aboradar cuestiones como la ambigüedad en la cuantización o el impacto de las transiciones no adiabáticas entre regímenes de expansión y estaticidad en la creación de partículas desde una persectiva novedosa, motivada por el conocimiento proporcionado por las plataformas de gravedad análogas. En conreto, se propone una familia de vacíos relacionados directamente con el número de partículas resultante de cierta medida experimental, y se destaca la importance de los regímenes de transición frente a los períodos de expansión.
En conclusión, este trabajo destaca la relevancia de la producción cosmológica de partículas en la formación de materia oscura y subraya el valor de los experimentos de gravedad análoga para comprender mejor la Teoría Cuántica de Campos en Espaciotiempos Curvos. Futuras investigaciones incluyen el análisis de la inflación de Higgs, el estudio de la curvatura espacial en modelos más realistas, y la caracterización del entrelazamiento tanto en contextos cosmológicos como análogos.
- English
In this thesis, we investigate the phenomenon of cosmological particle production within the framework of Quantum Field Theory in Curved Spacetimes, which can be understood as a dark matter production mechanism, and explore its analog simulation using Bose-Einstein condensates. The intersection of General Relativity and Quantum Field Theory has posed significant challenges, particularly in formulating a consistent theory of Quantum Gravity. Nevertheless, the study of quantum fields propagating on a classical, curved spacetime background provides insights into quantum effects in the early Universe and near compact objects...
- español
