La présente thèse, intitulée ``Investigations on electric-magnetic duality in gravity and higher spin theories'', constitue un étude sur la dualité dans les théories de la gravitation et de spins élevés dans le cadre des symétries cachées qui apparaissent après la réduction dimensionnelle de la Relativité Générale et la Supergravité. Elle a comme but de clarifier, en utilisant le formalisme Hamiltonien, la relation entre le graviton et son champ dual (en général, un tenseur de symétrie mixte (D-3,1)) en dimension abitraire, ainsi que la recherche de la généralisation de la symetrie de dualité, par méthodes identiques, aux théories de champs de spin élevé et l'exploration du comportement des champs fermioniques sous l'action de la dualité. La thèse est divisé en cinq chapitres. Le premier chapitre constitue une introduction au sujet des dualités et symétries cachées dans les théories de l'electromagnetisme, la gravitation et la supergravité. Le deuxième chapitre est dédié à l'étude de la dualité dans la gravité linéarisée à dimension D=4: d'abord, on rappelle comment résoudre les contraintes du formalisme Hamiltonien en termes de deux prépotentiels et la forme que l'action prenne après cette résolution. De plus, on reformule l'action en termes de certaines tenseurs invariantes de jauge et trouve une expression non-locale de l'action en termes de deux métriques. En outre, on établisse l'estructure des equations de mouvement covariantes comme une condition de ``twisted self-duality'' et vérifie qu'elles sont equivalentes à un sous-ensemble de celles-ci qui ne contient pas des dérivées temporelles de deuxième ordre. Ce sous-ensemble est aussi obtenu comme les equations de mouvement qui se derivent de l'action écrite en termes des prépotentiels. Dans le troisième chapitre, on généralise cette construction ci-dessus à dimension arbitraire D, où le champ dual du graviton est décrit par un tenseur de symétrie mixte (D-3,1): les contraintes sont résolues en termes de prépotentiels, qu'on utilise afin de construire une action locale, pour finalement obtenir son expression non-locale en termes du graviton et son champ duel. Dans le dernier chapitre, on étudie l'extension de la dualité au système de l'hypergravité linéarisée: la contrainte fermionique est résolue, et les transformations de supersymétrie pour les prépotentiels sont obtenues, ainsi que l'action de la dualité sur les champs fermioniques. / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis, we investigate four dimensional supersymmetric indices. The motivation for studying such objects lies in the physics of Seiberg's electric-magnetic duality in supersymmetric field theories. In the first chapter, we first define the index and underline its cohomological nature, before giving a first computation based on representation theory of free superconformal field theories. After listing all representations of the superconformal algebra based on shortening conditions, we compute the associated Verma module characters, from which we can extract the index in the appropriate limit. This approach only provides us with the free field theory limit for the index and does not account for the values of the $R$-charges away from free field theories. To circumvent this limitation, we then study a theory on $\mathbb{R}\times S^3$ which allows for a computation of the superconformal index for multiplets with non-canonical $R$-charges. We expand the fields in harmonics and canonically quantise the theory to analyse the set of quantum states, identifying the ones that contribute to the index. To go beyond free field theory on $\mathbb{R}\times S^3$, we then use the localisation principle to compute the index exactly in an interacting theory, regardless of the value of the coupling constant. We then show that the index is independent of a particular geometric deformation of the underlying manifold, by squashing the sphere. In the final chapter, we show how the matching of the index can be used in the large $N$ limit to identify the $R$-charges for all fields of the electric-magnetic theories of the canonical Seiberg duality. We then conclude by outlining potential further work.

Nous avons investigué les propriétés des champs de jauge de spin élevé libres à travers une étude de divers aspects de leur dynamique hamiltonienne. Pour des champs se propageant sur un espace-temps plat, les contraintes issues de l'analyse hamiltonienne de ces théories de jauge ont été identifiées et résolues par l'introduction de prépotentiels, dont l'invariance de jauge comprend, de façon intrigante, à la fois des difféomorphismes linéarisés généralisés et des transformations d'échelle de Weyl généralisées et linéarisées. Cela a motivé notre étude systématique des invariants conformes pour les spins élevés. Les invariants correspondants ont été construits à l'aide du tenseur de Cotton, dont nous avons établi les propriétés essentielles (symétrie, conservation, trace nulle; invariance, complétude). Avec ces outils géométriques, l'analyse hamiltonienne a pu être complétée et une action du premier ordre écrite en termes des prépotentiels. Nous avons constaté que cette action possédait une invariance manifeste par dualité électromagnétique; cette invariance, combinée à l'invariance de jauge des prépotentiels, fixe d'ailleurs uniquement l'action. En outre, de façon générale, cette action s'est révélée être exactement celle obtenue à travers une réécriture des équations du mouvement des spins élevés comme des conditions d'auto-dualité tordue (non manifestement covariantes).Avec un intérêt pour les extensions supersymétriques, nous avons amorcé la généralisation de cette étude aux champs fermioniques. Le champ de masse nulle libre de spin 5/2 a été soumis à la même analyse, et son prépotentiel s'est révélé partager l'invariance de jauge conforme déjà observée dans le cas bosonique général. Le supermultiplet incorporant les spins 2 et 5/2 a ensuite été considéré, et une symétrie rigide de son action, combinant une transformation de dualité électromagnétique du spin 2 avec une transformation de chiralité du spin 5/2 a été construite pour commuter avec la supersymétrie. Dans une autre direction, nous avons étudié les propriétés d'un champ tensoriel chiral de symétrie mixte dans un espace-temps plat à six dimensions: une (2,2)-forme. Son analyse hamiltonienne a été réalisée, des prépotentiels introduits et l'action de premier ordre obtenue s'est encore une fois révélée être la même que celle obtenue à travers une réécriture des équations du mouvement comme des conditions d'auto-chiralité (non manifestement covariante).Finalement, nous nous sommes penchés sur les charges de surface des champs fermioniques et bosoniques de spin élevé se propageant sur un espace-temps à courbure constante. Cela a été réalisé par une analyse hamiltonienne de ces systèmes, les contraintes étant identifiées aux générateurs des transformations de jauge. Injectant dans ces générateurs des valeurs des paramètres des transformations de jauge correspondant à des transformations impropres de jauge (imposant une réelle variation physique sur les champs) a ensuite permis d'évaluer la valeur de ces générateurs pour des champs résolvant les équations du mouvement: elle s'est bien révélée finie et non-nulle, constituant les charges de surface de ces théories. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis is devoted to various aspects of electric-magnetic duality and its gravitational generalization, with an emphasis on the case of maximal supergravity. It is divided into three parts.In the first part, we review the symmetries of maximal supergravity in various dimensions, with a particular focus on the exceptional ``hidden" symmetries that appear upon toroidal dimensional reduction of eleven-dimensional supergravity. Two new results are obtained. First, we prove in detail that these hidden symmetries appear if and only if the Chern-Simons coupling of the eleven-dimensional theory takes the value predicted by supersymmetry. Second, we obtain a manifestly E7(7)-invariant formula for the entropy of non-extremal black holes in four-dimensional N = 8 supergravity.The second part of the thesis concerns the gaugings of extended supergravities in four dimensions. We first show that the embedding tensor formalism does not allow for deformations that cannot be reached by working with the usual Lagrangian in the duality frame picked by the embedding tensor. We then examine through BRST methods the deformations of a large class of non-minimally coupled scalars and abelian vector fields in four dimensions, of which ungauged supergravities offer a prime example. We prove that all local deformations of these models which modify the gauge transformations are of the usual Yang-Mills type, i.e. correspond to the gauging of some rigid symmetries of the undeformed theory. Combined with the first result, this shows that the embedding tensor formalism correctly captures the most general local deformations of these theories.In the third part, we construct self-contained action principles for several types of free fields in six dimensions, whose field strengths satisfy a self-duality condition. These fields are motivated by two considerations. First, their existence allows for a remarkable geometric interpretation of the electric-magnetic duality symmetries of vector fields and linearized gravity in four dimensions. Second, they appear in the spectrum of the chiral N = (4,0) and N = (3,1) ``exotic supergravities" in place of the usual metric. The free action and supersymmetry transformations for those theories are explicitly constructed. We also check that they reduce to linearized maximal supergravity in five dimensions, thus completing the picture of higher-dimensional parents of N = 8 supergravity, at least at the free level. Along the way, we also generalize previous works on linearized supergravity by other authors, in which the graviton and its dual appear on the same footing at the level of the action.We conclude with some open questions, perspectives for future work, and a series of technical appendices. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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