Dans cette thèse, nous présentons des avancements récents en Théorie des Champs Doubles (TCD) et Théories des Champs Exceptionnels (TCE). Ces théories ont la particularité d’être des reformulations de supergravité dans lesquelles les symétries de dualité sont explicites avant toute réduction dimensionnelle. Ces reformulations se basent sur la définition d’un espace-temps étendu qui géométrise le groupe de T-dualité en TCD et les groupes exceptionnels de U-dualité en TCE. Tous les champs de cet espace sont soumis à une contrainte de section qui restreint leur dépendance en coordonnées. Il existe plusieurs solutions à la contrainte de section, qui correspondent donc à des théories différentes. Dans ce sens, le formalisme des théories des champs étendues amène à une unification de ces théories. De plus, grâce à un outil spécifique aux théories des champs étendues, l’ansatz de Scherk-Schwarz généralisé, il est possible de réécrire les ansatz compliqué de type Kaluza-Klein en supergravité sous une forme élégante et compacte: un produit matriciel en dimensions supérieures. Ici, nous présentons plusieurs exemples de l’efficacité de l’ansatz de Scherk-Schwarz généralisé. En particulier, nous prouvons deux conjectures concernant les troncations cohérentes: la réduction dite “de Pauli” de la corde bosonique ainsi que la supergravité de type IIB sur AdS5 x S5. La dernière application de cet ansatz concerne la théorie de type IIB généralisée, apparue récemment dans l’étude des système intégrables, et son plongement dans la TCE E6(6). Enfin, nous présentons la complétion supersymétrique de la TCE E8(8) bosonique. / In this thesis, recent developments in Double Field Theory (DFT) and Exceptional Field Theory (EFT) are presented. They are reformulation of supergravity in which duality symmetries are made manifest before dimensional reduction. This is achieved through the definition of an extended spacetime that “geometrises” the T-duality group O(d,d) in DFT and exceptional U-duality groups in EFT. All functions on this extended space are subject to a covariant `section constraint', whose solutions then restrict the coordinates dependency of the fields. There exist different solutions to the section constraint that correspond to different theories. In this sense, different theories are unified within the formalism of extended field theories. Moreover, extended field theories possess a powerful tool to study compactifications: the generalised Scherk-Schwarz ansatz.Here, we present several examples of the effectiveness of the generalised Scherk-Schwarz ansatz. In particular, we proved two conjectures regarding consistent truncations: the so-called Pauli reduction of the bosonic string on group manifolds and type IIB supergravity on AdS5 x S5. Another application is presented on the embedding of generalised type IIB within the E6(6) EFT, which recently appeared in the study of integrable systems.Finally, we present the supersymmetric completion of the bosonic E8(8) EFT.

La supersymétrie représente le cadre théorique phare en physique des particules pour prendre la relève du modèle standard. Cependant, en tant que cadre général, il dispose de beaucoup de liberté dans sa mise en oeuvre, notamment au niveau des modèles de brisure. Le travail principal de cette thèse consiste à tenter de réduire l'espace des paramètres par des considérations théoriques, en trouvant un sous-espace réduit dans les modèles de brisure par médiation gravitationnelle, en utilisant les méthodes de minimisation du potentiel effectif développé dans les scénarios dits no-scale. / Supersymmetry is the most preferred theoretical framework that could replace and complete the standard model of particle physics. However it is hard to distinguish clearly between all the possible models allowed.During this thesis, we tried to reduce the arbitrariness in the choice of some parameters in supergravity breaking models, by looking at minimisation methods introduced in no-scale supergravity scenarios.

Ce mémoire présente divers aspects de la physique des dimensions supplémentaires et leurs liens avec la supersymétrie. L'accent a été mis sur la brisure de supersymétrie dans les modèles de branes et le rôle que les configurations non-BPS jouent dans ce contexte. Après un rappel sur les constructions de branes issues de la théorie des cordes, une courte introduction à la théorie de Horava-Witten est donnée sous l'angle des membranes ouvertes. Une présentation des branes non-BPS en supergravité à dix dimensions est ensuite effectuée. Dans ces deux cas les dimensions supplémentaires ne sont pas compactifiées. La seconde partie de ce mémoire traite des modèles à cinq dimensions. Une étude des branes non-BPS dans le modèle de Randall-Sundrum met en exergue deux types de configurations non-supersymétriques, les branes non-parallèles et le cas où la chiralité des fermions est différentes sur les bords de l'espace-temps. Dans le cadre de la théorie de Horava-Witten à cinq dimensions on considère le cas où l'une des branes est de tension violant la borne BPS, conduisant à des configurations non-statiques. Enfin on consacre une partie à la supersymétrie singulière où des champs scalaires vivent entre les branes. Là aussi nous présentons des configurations non-BPS qui sont dépendantes du temps. Ceci nous conduit à une brève étude de la cosmologie branaire avec champs scalaires.

A lot of developments made during the last years show that Kac-Moody algebras play an important role in the algebraic structure of some supergravity theories. These algebras would generate infinite-dimensional symmetry groups. The possible existence of such symmetries have motivated the reformulation of these theories as non-linear sigma-models based on the Kac-Moody symmetry groups. Such models are constructed in terms of an infinite number of fields parametrizing the generators of the corresponding algebra. If these conjectured symmetries are indeed actual symmetries of certain supergravity theories, a meaningful question to elucidate will be the interpretation of this infinite tower of fields. Another substantial problem is to find the correspondence between the sigma-models, which are explicitly invariant under the conjectured symmetries, and these corresponding space-time theories. The subject of this thesis is to address these questions in certain cases. This dissertation is divided in three parts. In Part I, we first review the mathematical background on Kac-Moody algebras required to understand the results of this thesis. We then describe the investigations of the underlying symmetry structure of supergravity theories. In Part II, we focus on the bosonic sector of eleven-dimensional supergravity which would be invariant under the extended symmetry E_{11}. We study its subalgebra E_{10} and more precisely the real roots of its affine subalgebra E_9. For each positive real roots of E_9 we obtain a BPS solution of eleven-dimensional supergravity or of its exotic counterparts. All these solutions are related by U-dualities which are realized via E_9 Weyl transformations. In Part III, we study the symmetries of pure N=2 supergravity in D=4. As is known, the dimensional reduction of this model with one Killing vector is characterized by a non-linearly realized symmetry SU(2,1). We consider the BPS brane solutions of this theory preserving half of the supersymmetry and the action of SU(2,1) on them. Infinite-dimensional symmetries are also studied and we provide evidence that the theory exhibits an underlying algebraic structure described by the Lorentzian Kac-Mody group SU(2,1)^{+++}. This evidence arises from the correspondence between the bosonic space-time fields of N=2 supergravity in D=4 and a one-parameter sigma-model based on the hyperbolic group SU(2,1)^{++}. It also follows from the structure of BPS brane solutions which is neatly encoded in SU(2,1)^{+++}. As a worthy by-product of our analysis, we obtain a regular embedding of su(2,1)^{+++} in E_{11} based on brane physics./ Nombreuses sont les recherches récentes indiquant que différentes théories de gravité couplée à un certain type de champs de matière pourraient être caractérisées par des algèbres de Kac-Moody. Celles-ci généreraient des symétries infinies-dimensionnelles. L'existence possible de ces symétries a motivé la reformulation de ces théories par des actions explicitement invariantes sous les transformations du groupe de Kac-Moody. Ces actions sont construites en termes d'une infinité de champs associés à l'infinité de générateurs de l'algèbre correspondante. Si la conjecture de ces symétries est exacte, qu'en est-il de l'interprétation de l'infinité de champs? Qu'en est-il d'autre part de la correspondance entre ces actions explicitement invariantes sous les groupes de Kac-Moody et les théories d'espace-temps correspondantes? C'est autour de ces questions que gravite cette thèse. Nous nous sommes d'abord focalisés sur le secteur bosonique de la supergravité à 11 dimensions qui possèderait selon diverses études une symétrie étendue E_{11}. Nous avons étudié la sous-algèbre E_{10} et plus particulièrement les racines réelles de sa sous-algèbre affine E_9. Pour chacune de ces racines, nous avons obtenu une solution BPS de la supergravité à 11 dimensions dépendant de deux dimensions d'espace non-compactes. Cette infinité de solutions résulte de transformations de Weyl successives sur des champs dont l'interprétation physique d'espace-temps était connue. Nous avons ensuite analysé les symétries de la supergravité N=2 à 4 dimensions dont le secteur bosonique contient la gravité couplée à un champ de Maxwell. Cette théorie réduite sur un vecteur de Killing est caractérisée par la symétrie SU(2,1). Nous avons considéré les solutions de brane BPS qui préservent la moitié des supersymétries ainsi que l'action du groupe SU(2,1) sur ces solutions. Les symétries infinies-dimensionnelles ont également été étudiées. D'une part, la correspondance entre les champs d'espace-temps de la théorie N=2 et le modèle sigma basé sur le groupe hyperbolique SU(2,1)^{++} est établie. D'autre part, on montre que la structure des solutions de brane BPS est bien encodée dans SU(2,1)^{+++}. Ces considérations argumentent le fait que la supergravité N=2 possèderait une structure algébrique décrite par le groupe de Kac-Moody Lorentzien SU(2,1)^{+++}.

A lot of developments made during the last years show that Kac-Moody algebras play an important role in the algebraic structure of some supergravity theories. These algebras would generate infinite-dimensional symmetry groups. The possible existence of such symmetries have motivated the reformulation of these theories as non-linear sigma-models based on the Kac-Moody symmetry groups. Such models are constructed in terms of an infinite number of fields parametrizing the generators of the corresponding algebra. If these conjectured symmetries are indeed actual symmetries of certain supergravity theories, a meaningful question to elucidate will be the interpretation of this infinite tower of fields. Another substantial problem is to find the correspondence between the sigma-models, which are explicitly invariant under the conjectured symmetries, and these corresponding space-time theories. The subject of this thesis is to address these questions in certain cases. <p> <p> This dissertation is divided in three parts.<p> <p> In Part I, we first review the mathematical background on Kac-Moody algebras required to understand the results of this thesis. We then describe the investigations of the underlying symmetry structure of supergravity theories.<p> <p> In Part II, we focus on the bosonic sector of eleven-dimensional supergravity which would be invariant under the extended symmetry E_{11}. We study its subalgebra E_{10} and more precisely the real roots of its affine subalgebra E_9. For each positive real roots of E_9 we obtain a BPS solution of eleven-dimensional supergravity or of its exotic counterparts. All these solutions are related by U-dualities which are realized via E_9 Weyl transformations.<p> <p> In Part III, we study the symmetries of pure N=2 supergravity in D=4. As is known, the dimensional reduction of this model with one Killing vector is characterized by a non-linearly realized symmetry SU(2,1). We consider the BPS brane solutions of this theory preserving half of the supersymmetry and the action of SU(2,1) on them. Infinite-dimensional symmetries are also studied and we provide evidence that the theory exhibits an underlying algebraic structure described by the Lorentzian Kac-Mody group SU(2,1)^{+++}. This evidence arises from the correspondence between the bosonic space-time fields of N=2 supergravity in D=4 and a one-parameter sigma-model based on the hyperbolic group SU(2,1)^{++}. It also follows from the structure of BPS brane solutions which is neatly encoded in SU(2,1)^{+++}. As a worthy by-product of our analysis, we obtain a regular embedding of su(2,1)^{+++} in E_{11} based on brane physics./<p><p> Nombreuses sont les recherches récentes indiquant que différentes théories de gravité couplée à un certain type de champs de matière pourraient être caractérisées par des algèbres de Kac-Moody. Celles-ci généreraient des symétries infinies-dimensionnelles. L'existence possible de ces symétries a motivé la reformulation de ces théories par des actions explicitement invariantes sous les transformations du groupe de Kac-Moody. Ces actions sont construites en termes d'une infinité de champs associés à l'infinité de générateurs de l'algèbre correspondante. Si la conjecture de ces symétries est exacte, qu'en est-il de l'interprétation de l'infinité de champs? Qu'en est-il d'autre part de la correspondance entre ces actions explicitement invariantes sous les groupes de Kac-Moody et les théories d'espace-temps correspondantes? C'est autour de ces questions que gravite cette thèse.<p><p><p>Nous nous sommes d'abord focalisés sur le secteur bosonique de la supergravité à 11 dimensions qui possèderait selon diverses études une symétrie étendue E_{11}. Nous avons étudié la sous-algèbre E_{10} et plus particulièrement les racines réelles de sa sous-algèbre affine E_9. Pour chacune de ces racines, nous avons obtenu une solution BPS de la supergravité à 11 dimensions dépendant de deux dimensions d'espace non-compactes. Cette infinité de solutions résulte de transformations de Weyl successives sur des champs dont l'interprétation physique d'espace-temps était connue. <p><p>Nous avons ensuite analysé les symétries de la supergravité N=2 à 4 dimensions dont le secteur bosonique contient la gravité couplée à un champ de Maxwell. Cette théorie réduite sur un vecteur de Killing est caractérisée par la symétrie SU(2,1). Nous avons considéré les solutions de brane BPS qui préservent la moitié des supersymétries ainsi que l'action du groupe SU(2,1) sur ces solutions. Les symétries infinies-dimensionnelles ont également été étudiées. D'une part, la correspondance entre les champs d'espace-temps de la théorie N=2 et le modèle sigma basé sur le groupe hyperbolique SU(2,1)^{++} est établie. D'autre part, on montre que la structure des solutions de brane BPS est bien encodée dans SU(2,1)^{+++}. Ces considérations argumentent le fait que la supergravité N=2 possèderait une structure algébrique décrite par le groupe de Kac-Moody Lorentzien SU(2,1)^{+++}.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse traite de compactifications avec flux en théorie des cordes et supergravité. D’abord, nous étudions les réductions dimensionnelles des théories de type II et de supergravité en onze dimensions, en utilisant la géométrie généralisée exceptionnelle. Nous commençons par l’introduction des techniques mathématiques nécessaire à cette thèse, nous nous concentrons sur les G-structures et leur extension à la géométrie généralisée. Après, nous passons à discuter les compactifications à proprement parler. Précisément, nous nous concentrons sur type IIA, en construisant la version de la géométrie généralisée exceptionnelle décrivant cette supergravité et en trouvant les déformations de la dérivé de Lie généralisée correctes qui permettre de tenir compte et décrire correctement la mass de Romans. Nous présentons la méthode de Scherk-Schwarz généralisée qui nous permettre de trouver des ansatze consistants qui préservent la quantité maximale de supersymétrie. Aussi, nous appliquons cette méthode à des exemples différents des truncations sur les sphères, nous sommes capables de reproduire l’ansatz sur la sphere six-dimensionnelle et le tensor d’imbrication, qui nous donne une supergravité jaugée ISO(7) dyoniquement en quatre dimensions. Pour des sphères de dimension d = 2; 3; 4, nous trouvons une obstruction à avoir des parallelisations généralisées dans les cas massifs. Ceci donne une indication du fait que des réductions dimensionnelles en présence de mass de Romans peut pas exister. En outre, nous étudions les calibrations générales sur des backgrounds AdS en type IIB et M-théorie. Nous établissons qu’elles sont décrites par les structures de Sasaki- Einstein exceptionnelles, et nous focalisons notre attention sur les vectors de Reeb généralisés. Les inégalités pour la limite sur l’énergie peuvent être dérivées par la décomposition de la condition donnée par la symétrie _ ou dans la même façon, par la décomposition des bilinéaires des champs spinoriels existants en littérature. Nous expliquons comme la fermeture des formes de calibration est liée à l’intégrabilité de la structure de Sasaki-Einstein exceptionnelle décrivant le background. En particulier, nous faisons ça pour des branes remplissant l’espace ou ponctuelles. En faisant ça, nous montrons que la partie de forme du vector twisté en M-théorie donne les correctes calibrations généralisées. Le cas au sujet des backgrounds en type IIB donne des résultats analogues. / The main topic of this thesis are flux compactifications. Firstly, we study dimensional reductions of type II and eleven-dimensional supergravities using exceptional generalised geometry. We start by presenting the needed mathematical tools, focusing on G-structures and their extension to generalised geometry. Then, we move our focus on compactifications. In particular, we mainly focus on type IIA, building the version of exceptional generalised geometry adapted to such supergravity and finding the right deformations of generalised Lie derivative to accomodate the Romans mass. We describe the generalised Scherk-Schwarz method to find consistent truncation ansatze preserving the maximal amount of supersymmetry. We apply such a method to several examples of truncations on spheres, we reproduce the truncation ansatz on S6 and the embedding tensor leading to dyonically gauged ISO(7) supergravity in four dimensions. For spheres of dimension d = 2; 3; 4, we find an obstruction to have generalised parallelisations in massive theory, giving the evidence that maximally supersymmetric reductions might not exist. As further point, we study generalised calibrations on AdS backgrounds in type IIB and M-theory. We find these are described by Exceptional Sasaki-Einstein structures and we place the focus on the generalised Reeb vectors. The inequalities for the energy bound are derived by decomposing a _-symmetry condition and equivalently, bispinors in calibration conditions from existing literature. We explain how the closure of the calibration forms is related to the integrability conditions of the Exceptional Sasaki- Einstein structure, in particular for AdS space-filling or point-like branes. Doing so, we show that the form parts of the twisted vector structure in M-theory provides the expected generalised calibrations. The IIB case yields similar results.

Cette thèse porte sur les compactifications en théorie des cordes et supergravité. Nous étudions les réductions dimensionnelles des théories de type II sur des fonds avec flux, en utilisant les techniques de la géométrie géneralisée de Hitchin.<br />Nous commençons en introduisant les outils mathématiques nécessaires: nous nous concentrons sur les structures SU(3)xSU(3) sur le fibré tangent généralisé T+T*, en analysant leurs déformations. Ensuite nous étudions la théorie de supergravité N=2 quadri-dimensionnelle définie par réduction des théories de type II sur des fonds à structure SU(3)xSU(3) avec flux généraux de NSNS et RR: nous établissons l'action bosonique complète, et nous montrons comment ces donées sont reliées au formalisme de la géométrie généralisée sur T+T*. En particulier, nous trouvons une expression géométrique pour le potentiel scalaire N=2. Puis nous nous concentrons sur les relations entre les descriptions à 10d et à 4d des fonds supersymétriques avec flux: nous dérivons les conditions de vide N=1 dans la théorie N=2 à 4d, ainsi que dans sa troncation N=1, et nous prouvons une correspondance précise avec les équations qui caractérisent les vides N=1 au niveau dix-dimensionnel. Nous terminons en présentant des exemples concrets, basés sur des espaces quotients avec structure SU(3). Nous établissons pour ces espaces la cohérence de la troncation basée sur l'invariance gauche, et nous explorons les vides de la théorie associée, en prenant en compte les corrections des boucles des cordes.

Cette thèse est consacrée à l'analyse, dans le cadre des théories supersymétriques, des phénomènes liés à la présence de dimensions supplémentaires et de secteurs branaires. Nous proposons une extension du MSSM motivé par les théories présentant des dimensions supplémentaires, dans laquelle le secteur de jauge est étendu de manière à former une représentation N = 2 de l'algèbre de supersymétrie. Nous décrivons comment, dans ce modèle, des masses de Dirac apparaissent naturellement pour les jauginos, et calculons les interactions et matrices de masse des nouveaux neutralinos et charginos présents. Puis nous étudions, dans le cadre des théories de supergravité en cinq dimensions, le couplage des champs de gravité aux multiplets chiraux localisés sur les branes. Cette étude conduit à l'introduction d'une nouvelle extension hors couche de masse de la supergravité en cinq dimensions, qui est bien adaptée au couplage des champs chiraux sur les branes au multiplet de supergravité pentadimensionnelle dans le cas d'un superpotentiel quelconque et dans la présence de F-termes différents de zéro. Le mécanisme de Scherk-Schwarz généralisé et le mécanisme de super-Higgs dans cette classe de théories sont également étudiés en détail. Notamment nous décrivons comment les pseudo-Goldstinos apparaissent lorsque la supersymétrie est brisée par des F-termes sur les branes et dans le volume pentadimensionnel par le mécanisme de Scherk-Schwarz. Nous étudions des possibilités d'identification des pseudo-Goldstinos aux neutrinos stériles. Enfin, des propriétés des gravitinos dans les théories à six dimensions sont étudiées.

Cette thèse est consacrée à l'étude d'applications de la théorie des cordes dans deux domaines de la physique fondamentale : la physique des particules et la cosmologie. Le principe unificateur de nos deux travaux est l'utilisation en théorie des cordes du mécanisme, initialement introduit en théorie des champs, de brisure spontanée de (super)symétrie.<br /><br />Nous commençons par une présentation générale de la théorie des cordes, principalement focalisée sur les concepts que nous manierons.<br />Nous introduisons ensuite notre premier travail, dans lequel nous exhibons une dualité de l'espace des vides des théories de supercordes hétérotiques N=1, qui relie les représentations spinorielles et vectorielles du groupe de grande unification. <br />Dans un second travail, nous nous intéressons cette fois à la modélisation par la théorie des supercordes d'une évolution cosmologique à température non nulle et en présence d'une échelle de brisure de supersymétrie. Nous donnons également des arguments pour une stabilisation des divers modules de compactification.

Le contexte de ce travail peut être rattaché à la M-théorie d'Horava-Witten dans laquelle l'Univers a pu connaître une étape à 5 dimensions mais aussi aux théories de Baryogénèse via Leptogénèse qui impliquent de hautes températures de réchauffage après l'Inflation. Le modèle cosmologique étudié se situe dans le contexte d'une supergravité à 5 dimensions avec l'extra-dimension compacte de type $S1/Z_2$, où les champs de matière et de jauge vivent sur une des deux membranes localisées aux point fixes de l'orbifold et où les champs de supergravité se propagent dans l'ensemble des dimensions spatiales. En faisant l'hypothèse que la matière noire est composée de Neutralino, qui est dans notre modèle la particule supersymétrique la plus légère, nous avons montré qu'il existe des courbes de contraintes entre la taille de l'extra-dimension et la température de réchauffage de l'Univers après l'Inflation. Les contraintes proviennent, d'une part, des mesures de la quantité de Matière Noire dans l'Univers, et d'autre part, du modèle de la Nucléosynthèse Primordiale des éléments légers