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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/44227
Tipo: Dissertação
Título: Standard perturbation theory (SPT) for models with interaction in the dark sector
Título(s) alternativo(s): Teoria de perturbação padrão (SPT) para modelos com interação no setor escuro
Autor(es): Mello, Matheus Monteiro Wolney
Primeiro Orientador: Von Marttens, Rodrigo
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Baranov, Iuri
metadata.dc.contributor.referee1: Von Marttens, Rodrigo
metadata.dc.contributor.referee2: Pigozzo, Cassio Bruno Magalhães
metadata.dc.contributor.referee3: Wilhelm, Zimdahl Winfried Ernst
Resumo: Esta dissertação investiga a formação e a evolução não linear das estruturas cósmicas em modelos cosmológicos com setor escuro interagente (IDS), estendendo o arcabouço padrão do modelo ΛCDM. A partir das equações de fluido e das equações de perturbações que governam os campos de densidade e velocidade, desenvolve-se um formalismo perturbativo completamente dependente do tempo, indo além da aproximação de Einstein–de Sitter (EdS). São derivadas equações de evolução para os núcleos perturbativos de segunda, terceira e ordem arbitrária, incorporando explicitamente os efeitos das interações entre matéria escura e energia escura. Um resultado central do trabalho é a análise crítica da aproximação frequentemente empregada segundo a qual a razão entre o parâmetro de densidade de matéria, Ωm, e o quadrado da taxa de crescimento das perturbações, f², é aproximadamente igual a 1. No modelo ΛCDM, essa aproximação é motivada pela relação empírica f ≈ Ωm^0,55, o que implica que Ωm/f² permanece próximo da unidade ao longo de uma fração significativa da história cósmica. Essa proximidade permite separar a dependência temporal e espacial nas equações perturbativas, tornando os núcleos não lineares aproximadamente independentes do tempo e simplificando significativamente os cálculos analíticos e numéricos. Por essa razão, a aproximação baseada no limite de Einstein–de Sitter é frequentemente utilizada mesmo em cosmologias nas quais ela não é estritamente válida. Mostra-se, contudo, que, no contexto do modelo ΛCDM, essa aproximação permanece válida mesmo em baixos redshifts, uma vez que os desvios em relação ao valor unitário permanecem pequenos no Universo recente. Em modelos com setor escuro interagente, tais desvios tornam-se ainda mais pronunciados em épocas tardias, indicando que hipóteses baseadas no limite de Einstein–de Sitter não são confiáveis quando há interações no setor escuro. Utilizando o código numérico SPTIDS, desenvolvido e implementado pelo autor no âmbito deste trabalho, são calculados o espectro de potência da matéria em nível de uma volta (one-loop) e o biespectro reduzido em cosmologias IDS. Os resultados indicam que interações no setor escuro intensificam o crescimento das perturbações de matéria e amplificam correlações de ordem superior em relação ao modelo ΛCDM, fornecendo assinaturas não lineares distintivas. Esses resultados evidenciam a necessidade de um tratamento perturbativo plenamente dependente do tempo para a modelagem de precisão da estrutura em larga escala em cenários com setor escuro interagente, além de apontarem possíveis desvios observacionais em relação ao modelo cosmológico padrão.
Abstract: This dissertation investigates the formation and nonlinear evolution of cosmic structures in cosmological models with an interacting dark sector (IDS), extending the standard ΛCDM framework. Starting from the fluid and perturbation equations governing the density and velocity fields, a fully time-dependent perturbative formalism is developed, going beyond the Einstein–de Sitter (EdS) approximation. Evolution equations for second-, third-, and arbitrary-order perturbative kernels are derived, explicitly incorporating the effects of interactions between dark matter and dark energy. A central result of this work is the critical assessment of the commonly employed approximation in which the ratio between the matter density parameter, Ωm, and the square of the perturbation growth rate, f 2 , is assumed to be approximately unity. In the ΛCDM model, this approximation is motivated by the empirical relation f ≈ Ω 0.55 m , which implies that Ωm/f 2 remains close to unity over a significant fraction of cosmic history. This near equality allows the separation of temporal and spatial dependencies in the perturbative equations, rendering nonlinear kernels approximately time-independent and substantially simplifying analytical and numerical calculations. For this reason, the approximation based on the Einstein–de Sitter limit is frequently employed even in cosmologies where it is not strictly valid. It is nevertheless shown that, within the ΛCDM framework, this approximation remains valid even at low redshifts, since deviations from unity remain small in the late Universe. In interacting dark sector models, however, such deviations become significantly larger at late times, indicating that assumptions based on the Einstein–de Sitter limit are no longer reliable when dark sector interactions are present. Using the numerical code SPTIDS, developed and implemented by the author as part of this work, the matter power spectrum at one-loop level and the reduced bispectrum are computed for IDS cosmologies. The results show that dark sector interactions enhance the growth of matter perturbations and amplify higher-order correlations relative to the ΛCDM model, providing distinctive nonlinear signatures. These results demonstrate the necessity of a fully time-dependent perturbative treatment for precision modeling of large-scale structure in interacting dark sector scenarios, while also pointing to possible observational deviations from the standard cosmological model.
Palavras-chave: SPT
Cosmologia
Estrutura em larga escala
lss
Energia escura
Materia escura
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA GERAL::RELATIVIDADE E GRAVITACAO
Idioma: eng
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Instituto de Física
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Física (PPGFIS) 
Citação: MELLO, Matheus Monteiro Wolney. Standard perturbation theory (SPT) for models with interaction in the dark sector. 2026. 109 f. Dissertação (Mestrado em Física) Instituto de Física, Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2026.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/44227
Data do documento: 10-Fev-2026
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