Equação de Estado para o Universo Primordial

Abstract

The main purpose of this thesis is to explore the role of the nuclear interactions during the early universe. For that, we import to cosmology an equilibrium statistical mechanics formalism based for relativistic interacting systems. Using this formalism and a phenomenological approach of the nuclear interactions, we built cosmological equations of state including photons, leptons and interacting hadrons and apply them to the cosmological standard model. Supposing certain extrapolations, the proposed equations of state are able to produce a primordial acceleration (inflation) continually linked with the radiation era present during the nucleosynthesis. This inflationary period is effective enough to solve the flatness and horizon problems, and it still allows a natural explanation for why the universe is expanding. However, we must stress that all these results are obtained only for a matter-antimatter symmetric universe. The research made suggest that the nuclear interactions are important for the early universe evolution and it might be the responsible for the inflationary period. This thesis has also the purpose of establishing a formal procedure able to include interaction terms as sources of gravitation in cosmology. This procedure is based in the ensemble theory of statistical mechanics, and can in principle be applied whenever the cosmic fluid is in thermodynamical equilibrium

O principal objetivo desta tese é explorar o papel das interações nucleares durante o universo primordial. Para tanto, importamos para a cosmologia um formalismo da mecânica estatística de equilíbrio baseado em sistemas interagentes relativísticos. A partir deste formalismo e utilizando uma abordagem fenomenológica das interações nucleares, construímos equações de estado cosmológicas constituídas de fótons, léptons e hádrons interagentes, e aplicamos estas equações no modelo padrão da cosmologia. Supondo certas extrapolações, as equações de estado propostas são capazes de gerar um regime de expansão acelerada primordial (inflação) conectado continuamente com a era da radiação existente durante a nuclessíntese. Este período inflacionário é suficientemente intenso para resolver os problemas de planura e horizonte, permitindo também uma explicação natural de porque o universo está se expandindo. Contudo, devemos ressaltar que todos esses resultados são obtidos apenas para um universo simétrico de matéria e antimatéria. Resumidamente falando, o trabalho realizado sugere que os processos de interação nuclear são importantes para a evolução do universo primordial podendo inclusive ser os responsáveis pelo período inflacionário. De uma perspectiva mais ampla, esta tese também tem por objetivo estabelecer um procedimento formal capaz de incluir termos de interação como fonte de gravitação na cosmologia. Este procedimento é baseado na teoria de ensembles da mecânica estatística, e em princípio pode ser aplicado sempre que o fluido cósmico estiver em equilíbrio termodinâmico