Dans cette thèse, nous avons étudié quelques aspects fondamentaux de la gravitation quantique à boucles (Loop Quantum Gravity ou LQG). Tout d'abord, nous avons discuté le choix de la représentation polymère dans ce programme de quantification de la relativité générale. Pour cela, nous avons considéré la corde bosonique comme modèle-jouet sur lequel on peut tester les méthodes de quantification de la LQG. Dans cette optique, nous avons introduit et étudié une formulation originale de la corde bosonique, dite corde algébrique. Ensuite, nous nous sommes intéressé au problème important du choix de la jauge temporelle en LQG. Ce choix permet de passer d'un groupe de jauge non-compact (le groupe de Lorentz) à un groupe de jauge compact (le groupe des rotations) et ainsi d'obtenir un spectre discret des opérateurs de géométrie. Nous avons montré qu'il est possible de ne pas faire le choix de la jauge temporelle, de pouvoir quantifier malgré tout la théorie et de retrouver un spectre discret des opérateurs de géométrie même avec un groupe de jauge non-compact. Enfin, nous nous sommes attaché à comprendre le lien entre les approches canonique et covariante afin de tester la validité du nouveau modèle de mousse de spins introduit par Engle, Peireira, Rovelli et Livine (EPRL). / No summary available

Boucle gravité quantique (LQG) est une tentative pour résoudre le problème de la gravité quantique. Boucle cosmologie quantique (LQC) est une tentative d'appliquer LQG à la cosmologie précoce. Le but de LQC est de se connecter LQG avec des observations. Il est très difficile d'observer les effets de la gravité quantique parce que la densité d'énergie énorme est très probablement nécessaire. Ceci est exactement pourquoi l'Univers est choisi comme une étape pour rechercher des phénomènes de gravité quantique.Le résultat central de LQC est que la grande singularité bang est remplacé par un gros rebond. Toutefois, ce ne sont pas quelque chose qui est possible d'observer aujourd'hui. Pour cette raison, nous avons étudié la façon dont les perturbations cosmiques sont affectées par LQC. Nous avons utilisé l'approche dite d'algèbre déformée, et nous avons calculé les spectres obtenus pour les deux perturbations scalaires et tenseurs. Les spectres que nous avons trouvé ne sont pas compatibles avec l'observation. Cependant cela ne peut abeille considérée comme très forte preuve contre LQG car il y a trop d'hypothèses sur le chemin. Plutôt cela est le résultat de cette interprétation spécifique de LQC.Nous avons également étudié la dynamique de fond (la partie homogène des équations) de LQC. Depuis lent-roll inflation est essentielle pour expliquer de nombreuses caractéristiques de l'univers, y compris le CMB, nous voulons savoir si lent-roll inflation est compatible avec LQC. Nous avons constaté que, en effet, il est. Si un champ d'inflation potentiel carré est ajouté à la théorie, le rebond va lever l'énergie potentielle suffisante pour fournir environ 145 e-plis de lent-roll inflation. Toutefois, lorsque anisotropies sont pris en compte, le montant de l'inflation diminue, et peut même disparaître complètement s'il y a trop de cisaillement au moment du rebond.Nous avons dérivé l'équation Friedman modifié pour anisotrope LQC. Cela nous a permis d'étudier anisotrope LQC pas seulement numériquement, mais aussi analytiquement, qui nous a donné une compréhension beaucoup plus complète de la situation que ce qui était connu auparavant.Enfin, nous avons étudié certains aspects géométriques de l'espace de Sitter, qui a donné lieu à deux considérations très différentes. Tout d'abord nous avons constaté que nous pouvons, pour une théorie générale de la cosmologie modifiée et sous certaines hypothèses assez conservatrices, tirer la dynamique d'un univers spatialement incurvée, étant donné la dynamique d'un un espace plat. Cela est pertinent dans les théories telles que LQC, où il est plus facile de trouver la solution plate que celle incurvée. Deuxièmement, nous proposons un mécanisme possible pour l'origine et la renaissance de l'Univers. / Loop quantum gravity (LQG) is an attempt to solve the problem of quantum gravity. Loop quantum cosmology (LQC) is an attempt to apply LQG to early cosmology. The purpose of LQC is to connect LQG with observations. It is very hard to observe any quantum gravity effects because enormous energy density is most likely required. This is exactly why the early Universe is chosen as a stage to search for quantum gravity phenomena.The central result of LQC is that the big bang singularity is replaced by a big bounce. However this is not something that is possible to observe today. For this reason, we have investigated how cosmic perturbations are affected by LQC. We have used the so called deformed algebra approach, and have calculated the resulting spectrums for both scalar and tensor perturbations.The spectrums that we have found are not compatible with observation. However this can not bee taken as very strong evidence against LQG since there are too many assumptions on the way. Rather this is a result for this specific interpretation of LQC.We have also studied the background dynamics (the homogenous part of the equations) of LQC. Since slow-roll inflation is essential in explaining many features of the universe, including the CMB, we want to know if slow-roll inflation is compatible with LQC. We have found that, indeed, it is. If a square potential inflation field is added to the theory, the bounce will lift the potential energy enough to provide around 145 e-folds of slow-roll inflation. However, when anisotropies are taken into account, the amount of inflation decreases, and can even disappear completely if there is too much shear at the time of the bounce.We have derived the modified Friedman equation for anisotropic LQC. This has allowed us to study anisotropic LQC not just numerically, but also analytically, which has given us a much more comprehensive understanding of the situation than what was known before.Finally, we have studied some geometric aspects of de Sitter space, which has resulted in two very different considerations. Firstly we found that we can, for a general theory of modified cosmology and under some quite conservative assumptions, derive the dynamics for a spatially curved universe, given the dynamics of a spatially flat one. This is relevant in theories such as LQC, where it is easier to find the flat solution than the curved one. Secondly, we propose a possible mechanism for the origin and rebirth of the Universe.

Une théorie de gravitation quantique propose de décrire l'interaction gravitationnelle à toutes les échelles de distance et d'énergie. Cependant, comprendre l'émergence de notre espace-temps classique reste un problème toujours ouvert. Cette thèse s'y attaque en gravité quantique à boucles à partir d'outils de l'information quantique.Ceci est fait en plusieurs étapes. La gravité quantique à boucles étant toujours une théorie en cours de développement, un point de vue pragmatique est adopté en étudiant une classe d'état physique du champ gravitationnel, motivée à la fois par des intuitions simples et les résultats de la physique à N corps. Une analyse de la reconstruction de la géométrie à partir des corrélations peut être faite et des leçons peuvent être tirées sur la forme de la dynamique fondamentale. Dans un second temps, la physique des sous-systèmes est analysée en commençant d'abord par évaluer l'entropie d'intrication entre l'intérieur et l'extérieur de la région, permettant ainsi de retrouver la loi holographique de l'entropie des trous noirs et donnant une forme possible des états holographiques de la théorie. Plusieurs dynamiques de la frontière, vu comme un système isolé ou ouvert, sont ensuite analysées, éclairant de nouveau la forme de la dynamique fondamentale. Enfin, la dernière étape de ces recherches étudie la dynamique de la frontière en interaction avec un environnement formé des degrés de liberté (de matière ou gravitationnels) formant le reste de l'Univers et la décohérence sur la frontière qu'il induit. Ceci permet de discuter la transition quantique/classique et de mettre en lumière, dans un modèle donné, les états pointeurs de la géométrie. / A quantum theory of gravitation aims at describing the gravitational interaction at every scales of energy and distance. However, understanding the emergence of our classical spacetime is still an open issue in many proposals. This thesis analyzes this problem in loop quantum gravity with tools borrowed from quantum information theory.This is done in several steps. Since loop quantum gravity is still under construction, a pragmatic point of view is advocated and an ansazt for physical states of the gravitational field is studied at first, motivated from condensed matter physics and simple intuitions. We analyze the proposal of reconstructing geometry from correlations. Lessons on the quantum dynamics and the Hamiltonian constraint are extracted. The second aspect of this work focuses on the physics of sub-systems and especially the physics of their boundary. We begin by calculating the entanglement entropy between the interior and the exterior of the region, recovering the holographic law known from classical black hole physics. Then different boundary dynamics are studied, both in the isolated and open cases, which shed lights again on the fundamental dynamics. Finally, the last aspect of this research studies the dynamics of the boundary interacting with an environment whose degrees of freedom (gravitational or matter) forming the rest of the Universe and especially the decoherence it induces. This allows to discuss the quantum to classical transition and understand, in a given model, the pointer states of geometry.

Ce travail de thèse se concentre sur l'approche non-perturbative canonique à la formulation d'une théorie quantique de la gravitation dans le cadre de la Gravitation quantique à boucles (LQG), répondant à deux problèmes majeurs. Dans la première partie, nous étudions la possible quantification, dans le cadre de la LQG, de la gravité en trois dimensions avec constante cosmologique et nous essayons de prendre contact avec autres approches de quantification déjà existantes dans la littérature. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur une application très importante de la LQG: la définition et le comptage des états microscopiques d'un ensemble en mécanique statistique qui fournit une description de l'entropie des trous noirs. Notre analyse s'appuie fortement sur et s'étend à un traitement manifestement SU(2) invariant les travaux fondateurs de Ashtekar et al. / This thesis work concentrates on the non-perturbative canonical approach to the formulation of a quantum theory of gravity in the framework of Loop Quantum Gravity (LQG), addressing two major problems. In the first part, we investigate the possible quantization, in the context of LQG, of three dimensional gravity in the case of non-vanishing cosmological constant and try to make contact with alternative quantization approaches already existing in the literature. In the second part, we concentrate on a very important application of LQG: the definition and the counting of microstates of a statistical mechanical ensemble which provides a description and accounts for the black hole entropy. Our analysis strongly relies on and extends to a manifestly SU(2) invariant treatment the seminal work of Ashtekar et al.

Le cinquième télescope (CT5) du réseau H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) a été inauguré en 2012. H.E.S.S. est destiné à l’observation du ciel austral dans le domaine des rayons γ et CT5, dont le seuil est d’environ 30 GeV, a permis la détection du pulsar de Vela après 24 heures d’observations. Certains scénarios de gravitation quantique (QG) prédisent une violation d’invariance de Lorentz (LIV). Celle-ci se manifeste par l’ajout de termes ∝(E/EQG)n aux relations de dispersion du photon, où E est l’énergie du quanta de lumière, EQG l’énergie caractéristique des processus de QG et n l’ordre de la correction. Cette dépendance en énergie peut être testée par des mesures de temps de vol entre photons reçus de sources astrophysiques variables (noyaux actifs de galaxies), transitoires (sursauts γ) ou encore périodiques (pulsars). Cette thèse présente l’analyse des données recueillies par CT5 sur le pulsar de Vela. Une méthode de maximum de vraisemblance ayant déjà montré sa robustesse sur d’autres types de sources a été adaptée au cas du pulsar de Vela. Aucune déviation des relations de dispersion standard n’est observée, par conséquent des limites sont placées sur EQG. La plus contraignante est obtenue pour une correction linéaire superluminique aux relations de dispersion EQG > 7.0×1015 GeV. / The fifth telescope (CT5) of the H.E.S.S. array (High Energy Stereoscopic System) was inaugurated in 2012. H.E.S.S. is designed to scrutinize the southern γ ray sky and CT5, whose threshold is about 30 GeV, allowed the Vela pulsar detection in 24 hours observation time. Some quantum gravity (QG) scenarios predict a violation of Lorentz invariance (LIV). This could manifest by additional terms ∝(E/EQG)n to the photon dispersion relations, where E is the light quantum energy, EQG the typical scale at which QG processes are expected to occur and n the order of the correction. This energy dependence could be tested by time of flight measurements between photons emitted from variable (active galactic nuclei), transient (gamma ray bursts) or periodical (pulsars) astrophysical sources. This thesis presents the analysis of the CT5 collected data from the Vela pulsar. A maximum likelihood method already successfully applied to other source species has been adapted here to the Vela pulsar. No deviation from standard photon dispersion relations is observed, therefore limits have been placed on EQG. The most restrictive result has been obtained for a superluminal linear correction to the dispersion relations EQG > 7.0×1015 GeV.

La relativité générale représente la description la plus précise de l'interaction gravitationnelle. Cependant, alors que la matière est régie par les lois de la mécanique quantique, la gravitation, elle, est une théorie fondamentalement classique. A l'échelle de Planck, c'est-à-dire à des distances d'environ 10E-35 mètres, les effets quantiques et ceux de la gravitation deviennent tous deux importants. A l'heure actuelle, un langage mathématique unifié et décrivant les effets physiques à cette échelle est toujours manquant. Il existe néanmoins plusieurs théories candidates à cette description, et l'une d'entre elles, la gravité quantique à boucles, est l'objet d'étude de cette thèse.Afin de tester si une théorie candidate peur fournir une description appropriée des propriétés quantiques du champ de gravitation, elle doit présenter une certaine cohérence interne du point de vue mathématique, et aussi être en accord avec les tests expérimentaux de la relativité générale. Le but de cette thèse est de développer certains outils mathématiques qui éclairent ces conditions de consistance interne, et qui permettent d'établir un lien entre différentes formulations de la théorie. / General relativity is the most precise theory of the gravitational interaction. It is a classical field theory. All matter, on the other hand, follows the rules of quantum theory. At the Planck scale, at about distances of the order of 10E-35 meters, both theories become equally important. Today, theoretical physics lacks a unifying language to explore what happens at this scale, but there are several candidate theories available. Loop quantum gravity is one them, and it is the main topic of this thesis. To see whether a particular proposal is a viable candidate for a quantum theory of the gravitational field it must be free of internal inconsistencies, and agree with all experimental tests of general relativity. This thesis develops mathematical tools to check these.

AMS est un détecteur de particules qui sera embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale début 2008. Avec son trajectomètre en silicium et son calorimètre électromagnétique, il pourra détecter les photons entre 1 GeV et 300 GeV. <br />Dans la première partie de cette thèse, nous donnons les résultats obtenus lors de l'analyse des données d'un test sur faisceau du calorimètre électromagnétique. A l'aide d'un logiciel de simulation rapide, nous évaluons les capacités de détection d'AMS en gamma. Nous donnons des prédictions de flux pour différents types de sources astrophysiques et pour un halo de matière noire supersymétrique au centre galactique.<br />HETE-2 est un satellite actuellement en fonctionnement qui est conçu pour détecter et localiser les sursauts gamma. Du fait des énergies mises en jeu, ce type de source pourrait être utilisé pour tester des domaines de la physiques inaccessibles aux accélérateurs. <br />Dans la deuxième partie de la thèse, nous étudions les courbes de lumières de douze sursauts gamma observés par le détecteur FREGATE à bord d'HETE-2 et pour lesquels une mesure du redshift est disponible. En étudiant les écarts temporels entre des photons de différentes énergies, nous pouvons déterminer une limite inférieure sur l'échelle de gravitation quantique de Eqg > 10^15 GeV.