Cette thèse présente une étude détaillée de la structure de théories appelées GFT ("Group Field Theory" en anglais),à travers le prisme de la renormalisation. Ce sont des théories des champs issues de divers travaux en gravité quantique, parmi lesquels la gravité quantique à boucles et les modèles de matrices ou de tenseurs. Elles sont interprétées comme desmodèles d'espaces-temps quantiques, dans le sens où elles génèrent des amplitudes de Feynman indexées par des triangulations,qui interpolent les états spatiaux de la gravité quantique à boucles. Afin d'établir ces modèles comme des théories deschamps rigoureusement définies, puis de comprendre leurs conséquences dans l'infrarouge, il est primordial de comprendre leur renormalisation. C'est à cette tâche que cette thèse s'attèle, grâce à des méthodes tensorielles développées récemment,et dans deux directions complémentaires. Premièrement, de nouveaux résultats sur l'expansion asymptotique (en le cut-off) des modèles colorés de Boulatov-Ooguri sont démontrés, donnant accès à un régime non-perturbatif dans lequel une infinité de degrés de liberté contribue. Secondement, un formalisme général pour la renormalisation des GFTs dites tensorielles (TGFTs) et avec invariance de jauge est mis au point. Parmi ces théories, une TGFT en trois dimensions et basée sur le groupe de jauge SU(2) se révèle être juste renormalisable, ce qui ouvre la voie à l'application de ce formalisme à la gravité quantique.

Cette thèse est dédiée à l'étude de la fonction à trois points dans la théorie de jauge super-symétrique (SYM) N=4, dans la limite du grand nombre de couleurs, à l'aide de l'intégrabilité. La théorie de jauge N=4 SYM est invariante conforme au niveau quantique est on pense qu'elle est résoluble exactement. Par la correspondance AdS/CFT, elle est duale à la théorie des cordes de type IIB dans l'espace courbe AdS5× S5. Les fonctions à trois points sont des quantités qui contiennent de l'information essentielle sur la dynamique de la théorie.Nous passons en revue les méthodes déjà existantes et outils de l'intégrabilité qui sont nécessaires pour le calcul de la fonction à trois points. Nous présentons le calcul de la fonction à trois points dans le secteur SU(3), de rang supérieur à un, nous avons utilisé une représentation sous forme de déterminant, qui nous permets de prendre la limite semi-classique. En exploitant la relation entre des chaines de spin à langue portée et la chaine de Heisenberg inhomogène, nous avons développé une nouvelle pur calculer la fonction à trois points dans le secteur SU(2) à l'ordre d'une boucle qui nous permets d'obtenir le résultat dans une forme très compacte. Dans la limite de Frolov-Tseytlin ce résultat est en accord avec celui qu'on obtient au couplage fort.Nous avons exploré des nouvelles formulations de la fonction à trois points. En nous inspirant de la formulation de la théorie des champs des cordes dans la jauge du cone de lumière nous avons construit un vertex de spin, qui est la version de couplage faible du vertex des cordes, pour tous les secteurs à l'ordre des arbres. Cette approche peut être reliée au programme des facteurs de forme pour les théories de champs bi-dimensionnelles intégrables, dont nous rappelons ici les bases. Nous étudions la dépendance dans la taille du système pour une classe spéciale de fonction à trois points qui correspond aux facteurs de forme diagonaux. / This thesis is devoted to the study of three-point functions of N=4 Super-Yang-Mills (SYM) theory in the planar limit by using integrability. N=4 SYM theory is conformal invariant at quantum level and is believed to be completely solvable. By the AdS/CFT correspondence, it is dual to the type IIB superstring theory on the curved background AdS5×S5. The three-point functions are important quantities which contain essential dynamic information of the theory.The necessary tools in integrability and the existing methods of computing three-point functions are reviewed. We compute the three-point functions in the higher rank SU(3) sector and obtain a determinant representation for one special configuration, which allows us to take the semi-classical limit. By exploring the relation between long-range interacting spin chain and inhomogeneous XXX spin chain, we develop a new approach to compute three-point functions in the SU(2) sector at one-loop and obtain a compact result. In the Frolov-Tseytlin limit, this result matches the result at strong coupling.We also explore new formulations of the three-point functions. In one formulation inspired by the light-cone string field theory, we constructed the spin vertex, which is the weak coupling counterpart of the string vertex for all sectors at tree level. Another formulation which is related to the form factor boostrap program in integrable field theory is reviewed. At weak coupling, we study the finite volume dependence of a special type of three-point functions which are related to the diagonal form factors.

La fonction de partition de théories de jauge supersymétriques avec quatre supercharges sur la sphere à deux dimensions est calculée exactement grâce à la localisation supersymétrique. Pour certaines théories de jauge, les expressions explicites sont égales à des corrélateurs dans la théorie conforme des champs de Toda de dimension deux. Ces égalités trouvent leur place ausein de la correspondance AGT, qui relie des théories de jauge supersymétriques de dimension quatre avec huit supercharges à des corrélateurs de la théorie de Toda. En effet, les théories de jauge à deux dimensions peuvent être insérées le long d’une surface dans une théorie à quatre dimensions, formant ainsi un opérateur de surface à moitié BPS. Une telle insertioncorrespond à l’ajout d’un opérateur local particulier (un opérateur de vertex dégénéré) dans le corrélateur de Toda.Cette correspondance enrichie a plusieurs conséquences. D’une part, les symétries des corrélateurs de Toda impliquent des analogues des dualités de Seiberg et de Kutasov–Schwimmer pour les théories de jauge à deux dimensions avec quatre supercharges. D’autre part, les résultats exacts en théorie de jauge fournissent de nouvelles données dans la théorie de Toda.Cela mène à une proposition concrète pour l’échange de deux opérateurs de vertex semi-dégénérés dans la théorie de Toda, qui contient des informations importantes concernant la S-dualité à quatre dimensions. / The sphere partition function of two-dimensional supersymmetric gauge theories with four supercharges is computed exactly using supersymmetric localization. For some gauge theories, explicit expressions are found to match with correlators in the two-dimensional Toda conformal field theory. This fits into the AGT correspondence, which relates supersymmetric fourdimensionalgauge theories with eight supercharges to correlators in the Toda theory. More precisely, the two-dimensional gauge theories can be inserted along a surface in a four-dimensional theory, thus forming half-BPS surface operators: such an insertion corresponds to the addition of a particular local operator (a degenerate vertex operator) in the Toda correlator.This enriched correspondence has several consequences. On the one hand, symmetries of Toda correlators imply analogues of Seiberg and Kutasov–Schwimmer dualities for two-dimensional gauge theories with four supercharges. On the other hand, exact gauge theory results yield previously unknown data in the Toda theory. This leads to a concrete proposal for the Toda braiding kernel of two semi-degenerate vertex operators, which holds important information about four-dimensional S-duality.

Connus des mécaniciens de la géométrie de Poisson, les algébroïdes de Lie transitifs sont ici étudiés du point de vue de leurs sections afin de développer un formalisme algébrique plus proche de celui développé par les théories de jauge. Ici, les algébroïdes de Lie transitifs s'apparentent à une généralisation des champs de vecteurs sur la variété de base. Ce mémoire de thèse a pour objet l'étude des connexions généralisées sur les algébroïdes de Lie transitifs et la construction de théories de jauge. Les connexions ordinaires sur les algébroïdes de Lie transitifs sont définies par des 1-formes de connexion de l'algébroïde de Lie à valeurs dans son noyau et vérifiant une contrainte de normalisation sur ce noyau. En relâchant cette contrainte, on construit l'espace des 1-formes de connexions généralisées qui se décomposent, à l'aide d'une connexion ordinaire de fond, comme la somme d'une connexion ordinaire et d'un paramètre purement algébrique définit sur le noyau. Dans l'esprit des théories Yang-Mills, une action invariante de jauge est définie comme la “norme” de la courbure associée à une connexion généralisée. De cette action, il découle un lagrangien composé des termes des théories de jauge de type Yang-Mills-Higgs : le terme cinétique associé aux champs de jauge et le terme de couplage minimal pour un champ tensoriel scalaire plongé dans un potentiel quartique. La réduction du groupe de symétrie de la théorie s'effectue par une redistribution des degrés de liberté dans l'espace fonctionnel des champs de la théorie. Il résulte de ces manipulations la définition d'une théorie de type Yang-Mills dont les bosons vecteurs sont des champs massifs. / Transitive Lie algebroids are usually studied from the point of view of the geometry of Poisson. Here, they are preferentially defined in terms of sections of fiber bundle in order to get close to the formalism of the gauge field theory. Then, transitive Lie algebroids can be seen as a generalization of vector fields on the base manifold. This PhD thesis is concerned with the study of generalized connections on transitive Lie algebroids and the construction of gauge theories. Ordinary connections on transitive Lie algebroids are defined as the subset of 1-forms on Lie algebroids with values in its kernel which fulfill a normalization constraint on this kernel. By relaxing this constraint, we build the space of generalized connection 1- forms. Using a background connection, we show that any generalized connections can be decomposed as the sum of an ordinary connection and a purely algebraic parameter defined on the kernel. As in Yang-Mills theories, we define a gauge invariant functional action as the “norm” of the curvature associated to a generalized connection. Then, the Lagrangian associated to this action forms a Yang-Mills-Higgs type model composed with the field strength associated to gauge fields and a minimal coupling with a tensorial scalar field embedded into a quartic potential. In the case of Atiyah Lie algebroids, the symmetry group of the theory can be reduced by using an appropriate rearrangement of the degrees of freedom in the functional space of fields. We thus obtain a Yang-Mills type theory describing massive vector bosons.

Cette thèse présente une étude détaillée de la structure de théories appelées GFT ("Group Field Theory" en anglais),à travers le prisme de la renormalisation. Ce sont des théories des champs issues de divers travaux en gravité quantique, parmi lesquels la gravité quantique à boucles et les modèles de matrices ou de tenseurs. Elles sont interprétées comme desmodèles d'espaces-temps quantiques, dans le sens où elles génèrent des amplitudes de Feynman indexées par des triangulations,qui interpolent les états spatiaux de la gravité quantique à boucles. Afin d'établir ces modèles comme des théories deschamps rigoureusement définies, puis de comprendre leurs conséquences dans l'infrarouge, il est primordial de comprendre leur renormalisation. C'est à cette tâche que cette thèse s'attèle, grâce à des méthodes tensorielles développées récemment,et dans deux directions complémentaires. Premièrement, de nouveaux résultats sur l'expansion asymptotique (en le cut-off) des modèles colorés de Boulatov-Ooguri sont démontrés, donnant accès à un régime non-perturbatif dans lequel une infinité de degrés de liberté contribue. Secondement, un formalisme général pour la renormalisation des GFTs dites tensorielles (TGFTs) et avec invariance de jauge est mis au point. Parmi ces théories, une TGFT en trois dimensions et basée sur le groupe de jauge SU(2) se révèle être juste renormalisable, ce qui ouvre la voie à l'application de ce formalisme à la gravité quantique. / In this thesis, we study the structure of Group Field Theories (GFTs) from the point of view of renormalization theory.Such quantum field theories are found in approaches to quantum gravity related to Loop Quantum Gravity (LQG) on the one hand,and to matrix models and tensor models on the other hand. They model quantum space-time, in the sense that their Feynman amplitudes label triangulations, which can be understood as transition amplitudes between LQG spin network states. The question of renormalizability is crucial if one wants to establish interesting GFTs as well-defined (perturbative) quantum field theories, and in a second step connect them to known infrared gravitational physics. Relying on recently developed tensorial tools, this thesis explores the GFT formalism in two complementary directions. First, new results on the large cut-off expansion of the colored Boulatov-Ooguri models allow to explore further a non-perturbative regime in which infinitely many degrees of freedom contribute. The second set of results provide a new rigorous framework for the renormalization of so-called Tensorial GFTs (TGFTs) with gauge invariance condition. In particular, a non-trivial 3d TGFT with gauge group SU(2) is proven just-renormalizable at the perturbative level, hence opening the way to applications of the formalism to (3d Euclidean) quantum gravity.

L'homologie instanton-symplectique est un invariant associé à une variété de dimension trois close orientée, qui a été dé?ni par Manolescu et Woodward, et qui correspond conjecturalement à une version symplectique d'une homologie des instantons de Floer. Dans cette thèse nous étudions le comportement de cet invariant sous l'effet d'une somme connexe, d'une chirurgie de Dehn, et d'un cobordisme de dimension quatre. Nous établissons une formule de Künneth pour la somme connexe : si Y et Y' désignent deux variétés closes orientées de dimension trois, l'homologie instanton-symplectique associée à leur somme connexe est isomorphe à la somme directe du produit tensoriel de leurs groupes d'homologie instantonsymplectique respectifs, et de leur produit de torsion (après décalage des degrés). Nous définissons des versions tordues de cette homologie, et prouvons un analogue de la suite exacte de Floer, reliant les groupes associés à une triade de chirurgie. Cette suite exacte nous permet de calculer le rang des groupes associés à des familles de variétés, notamment les revêtements doubles ramifiés d'entrelacs quasi-alternés, des chirurgies entières de grande pente le long de certains noeuds, ainsi que certaines variétés obtenues par plombage de fibrés en disques au-dessus de sphères. Nous définissons enfin des invariants pour des cobordismes de dimension 4 prenant la forme d'applications entre groupes d'homologie instantonsymplectique des bords, et prouvons que deux des morphismes intervenant dans la suite exacte de chirurgie s'interprètent comme de telles applications, associées aux cobordismes d'attachement d'anses. Nous donnons également un critère d'annulation pour de telles applications associées à des éclatements. / Symplectic instanton homology is an invariant for closed oriented three-manifolds, defined by Manolescu and Woodward, which conjecturally corresponds to a symplectic version of a variant of Floer's instanton homology. In this thesis we study the behaviour of this invariant under connected sum, Dehn surgery, and four-dimensional cobordisms. We prove a Künneth-type formula for the connected sum: let Y and Y' be two closed oriented three-manifolds, we show that the symplectic instanton homology of their connected sum is isomorphic to the direct sum of the tensor product of their symplectic instanton homology, and a shift of their torsion product. We define twisted versions of this homology, and then prove an analog of the Floer exact sequence, relating the invariants of a Dehn surgery triad. We use this exact sequence to compute the rank of the groups associated to branched double covers of quasi-alternating links, some plumbings of disc bundles over spheres, and some integral Dehn surgeries along certain knots. We then define invariants for four dimensional cobordisms as maps between the symplectic instanton homology of the two boundaries. We show that among the three morphisms in the surgery exact sequence, two are such maps, associated to the handle-attachment cobordisms. We also give a vanishing criteria for such maps associated to blow-ups.

Dans la description à basse énergie de systèmes fortement corrélés, les champs de jauge peuvent émerger comme excitations collectives couplées à des quasiparticules fractionalisées. En particulier, certains aimants bidimensionnels dits frustrés sont décrits par un liquide de spin de Dirac comportant une symétrie de jauge U(1) compacte. La description infrarouge est donnée par une théorie conforme des champs, soit l'électrodynamique quantique en 2+1 dimensions avec 2N saveurs de fermions sans masse. Dans les aimants typiques, N=2 ou 4. L'aspect compact du champ de jauge implique également l'existence d'excitations topologiques, soit des instantons créés, dans ce contexte, par des opérateurs monopôles. Cette thèse porte sur les transitions de phase quantiques à partir d'un liquide de spin de Dirac et les propriétés des monopôles aux points critiques correspondants. Ces transitions sont induites en activant diverses interactions de type Gross-Neveu. Dans tous les cas à l'étude, la dimension d'échelle des monopôles est obtenue grâce à la correspondance état-opérateur et à un développement en 1/N. L'accent est d'abord mis sur une transition de confinement-déconfinement vers une phase antiferromagnétique décrite par la condensation d'un monopôle. Une levée de dégénérescence est observée au point critique alors que certaines dimensions d'échelle de monopôles sont réduites par rapport à leur valeur dans le liquide de spin de Dirac. Cette hiérarchie est caractérisée quantitativement en comparant les dimensions d'échelle dans des secteurs distincts du spin magnétique à l'ordre dominant en 1/N, puis qualitativement par une analyse en théorie des représentations. Des exposants critiques pour d'autres observables dans la théorie non compacte sont également obtenus. Enfin, deux transitions vers des liquides de spin topologiques, soit le liquide de spin chiral et le liquide de spin Z2, sont considérées. Les dimensions anormales des monopôles sont obtenues à l'ordre sous-dominant en 1/N. Ces résultats permettent de vérifier une dualité conjecturée avec un modèle bosonique et la valeur d'un coefficient universel pour les théories de jauge U(1) / In strongly correlated systems, gauge fields can emerge as collective excitations coupled to fractionalized quasiparticles. In particular, certain frustrated two-dimensional quantum magnets are described by a Dirac spin liquid which has a U(1) gauge symmetry. The infrared description is given by a conformal field theory, namely quantum electrodynamics in 2+1 dimensions with 2N flavours of massless fermions. In typical magnets, N=2 or 4. The compact aspect of the gauge field also implies the existence of topological excitations corresponding to instantons, which are created by monopole operators in this context. This thesis focuses on quantum phase transitions out of a Dirac spin liquid and the properties of monopoles at the corresponding critical points. These transitions are driven by activating various types of Gross-Neveu interactions. In all the cases studied, the scaling dimension of monopoles are obtained using the state-operator correspondence and a 1/N expansion. The confinement-deconfinement transition to an antiferromagnetic order produced by a monopole condensate is first studied. A degeneracy lifting is observed at the critical point, as certain monopoles have their scaling dimension reduced in comparison with the value in the Dirac spin liquid. This hierarchy is charactized quantitatively by comparing monopole scaling dimensions in distinct magnetic spin sector at leading-order in 1/N, and qualitatively by an analysis in representation theory. Critical exponents of various other operators are obtained in the non-compact model. Transitions to two topological spin liquids, namely a chiral spin liquid and a Z2 spin liquid, are also considered. Anomalous dimensions of monopoles are obtained at sub-leading order in 1/N. These results allow the verification of a conjectured duality with a bosonic model and the value of a universal coefficient in U(1) gauge theories.

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.