L'objet de cette thèse est l'étude de certaines propriétés de théories des champs à fort couplage via la dualité avec la théorie des cordes, dans la limite de supergravité. L'analyse expérimentale du plasma de quarks et de gluons produit au RHIC et au LHC tend en effet à indiquer que cet état de la matière se comporte comme un fluide quasiment parfait. Les méthodes perturbatives de la QCD sont impuissantes à décrire ses propriétés et la chromodynamique quantique sur réseau fait face à des problèmes tant techniques que conceptuels pour calculer les observables dynamiques d'un tel système. La correspondance AdS/CFT offre par conséquent un outil unique permettant d'étudier en première approximation cette phase de la QCD. L'un des aspects de cette thèse consiste en la description par une équation stochastique de Langevin d'un parton massif se propageant dans un plasma de Yang--Mills maximalement supersymétrique. Bien que cette théorie semble décrire de manière satisfaisante la phase déconfinée de la QCD, il est toutefois désirable de chercher un dual en théorie des cordes rendant compte des aspects de la QCD à basse énergie. L'autre axe directeur de cette thèse propose ainsi de rendre compte de solutions de moindre supersymétrie, sans invariance conforme, et avec confinement. On obtient le dual gravitationnel d'états metastables de telles théories. En particulier, on dérive une contribution au potentiel inflationnaire dans le cadre d'un modèle cosmologique générique de la théorie des cordes. / In this thesis, we apply the gauge/string duality in its supergravity limit to infer some properties of field theories at strong coupling. Experiments at RHIC and at the LHC indeed suggest that the quark--gluon plasma behaves as one of the most perfect fluid ever achieved in any controlled experimental setup. Perturbative approaches fail at accounting for its properties, whereas lattice QCD methods face technical as well as conceptual difficulties in computing dynamical aspects of this new state of matter. As a result, the AdS/CFT correspondence currently is the best tool at our disposal for analytically modelling this phase of QCD. One of the contributions of this thesis amounts to deriving a stochastic Langevin equation for a heavy quark moving across a maximally supersymmetric Yang--Mills plasma at strong coupling. Even though this theory seems to describe in a surprisingly satisfactory way the high--energy, deconfined phase of QCD, it is also of much interest to try and search for a string theory dual making closer contact with QCD at lower energies. As such, the other main focus of this thesis deals with supergravity solutions of lesser supersymmetry, without conformal invariance and exhibiting confinement. We build for the first time the gravity dual to metastable states of such theories. In particular, we find the contribution from anti--branes to the inflation potential in some general scenario of string cosmology.

Dans cette thèse, nous considérons une méthode quasi-classique applicable aux théories des champs intégrables, basée sur la structure classique intégrable codifiée dans la courbe algébrique. Nous appliquons cette methode à la supercorde de Green - Schwarz sur l'espace AdS5 £ S5. Nous montrons que la méthode proposée reproduit parfaitement les résultats deja obtenus précédemment par l'expansion de l'action autour de certaines solutions simples classiques. D'autre part, les corrections de taille finie, dans une certaine limite importante, sont étudiées dans cette thèse pour un système des équations de Bethe. Le résultat pour les corrections 1/L a aussi été obtenu pour le supergroupe général su(NjK). Nous trouvons une équation qui décrit ces corrections dans une forme compléte. Comme un sous-produit de ce calcul, nous avons trouvé un nouveau type de la dualité entre les systèmes des équations de Bethe. Comme application, nous avons examiné les équations conjoncturées par Beisert et Staudacher (BS) avec un facteur de ”dressing” de Hernandez et Lopez où les corrections de taille finie devraient reproduire les calculs quasiclassiques autour du mouvement classique de la supercorde dans l'espace AdS5 £ S5. En effet, nous montrons que notre équation intégrale peut ˆetre interprétée comme une somme sur toutes les fluctuations physiques et ainsi nous prouvons que les équations de BS sont cohérentes avec la quantification quasiclassique. Autrement dit, nous démontrons que toutes les charges locales (y compris l'énergie AdS) calculées à partir des équations BS sont effectivement données à la première boucle par la somme des charges des fluctuations. Un autre resultat présenté ici: nous avons obtenu les équations BS pour sous-secteur su(2) à partir de la matrice S de Zamolodchikov et Zamolodchikov.

La théorie des cordes est le candidat le plus promettant pour la théorie unissant toutes les interactions en incluant la gravitation. Elle a la dynamique très compliquée. C'est pourquoi c'est utile d'étudier ses simplifications. Une de celles-ci est la théorie des cordes non-critiques qui peut être définie dans les dimensions inférieures. Le cas particulièrement intéressant est la théorie des cordes à deux dimensions. D'une part elle a la structure très riche et d'autre part elle est résoluble exactement. La solution complète de la théorie des cordes à deux dimensions dans le fond le plus simple du dilaton linéaire a été obtenue en utilisant sa représentation comme la mécanique quantique matricielle. Ce modèle de matrices fournit une technique très puissante et découvre l'intégrabilité cachée dans la formulation habituelle de CFT. Cette thèse prolonge la formulation de la théorie des cordes à deux dimensions par des modèles de matrices dans des fonds non-triviaux. Nous montrons comment les perturbations changeants le fond sont incorporés à la mécanique quantique matricielle. Les perturbations sont intégrables et dirigées par la hiérarchie de Toda. Cette intégrabilité est utilisée pour extraire l'information divers sur le système perturbé: les fonctions des corrélations, le comportement thermodynamique, la structure de l'espace-temps. Les résultats concernant ces et autres questions, comme des effets non-perturbatifs dans la théorie des cordes non-critiques, sont présentés dans cette thèse.

L'intérêt majeur des travaux exposés dans cette thèse est d'explorer la chevelure des trous noirs dans des cadres plus généraux que celui de la Relativité Générale en tenant compte de la présence d'une constante cosmologique, de dimensions supplémentaires, de champs de matière exotiques ou de termes de courbure de rang plus élevé. Ces extensions de la Relativité Générale peuvent s'inscrire dans le cadre de la théorie des cordes. C'est en étudiant des extensions naturelles de la Relativité Générale que nous pouvons aussi mieux comprendre la théorie d'Einstein. Dans un premier temps, nous exposerons la théorie de la Relativité Générale avec notamment les principes sur lesquelles elle s'appuie et nous donnerons les éléments mathématiques dont nous avons besoin pour la suite. Puis, une première extension sera présentée avec l'introduction de dimensions supplémentaires et de champs de p-formes qui constituent la généralisation naturelle de l'interaction électromagnétique. Nous construirons dans ce cadre de nouvelles solutions statiques de trous noirs où les p-formes permettent de modeler la géométrie de l'horizon. Nous exposerons ensuite l'extension la plus générale de la théorie d'Einstein en dimension quelconque qui génère des équations du second ordre en la métrique : la théorie de Lovelock. Nous déterminerons dans ce contexte une large classe de solutions en dimension 6 pour laquelle la théorie se réduit à celle d'Einstein-Gauss-Bonnet avec toujours la présence de p-formes. Enfin, nous étudierons une généralisation de la Relativité Générale en dimension 4 dont la modification est induite par un champ scalaire couplé conformément à la gravitation. Nous exhiberons notamment une nouvelle solution de trou noir avec un horizon plat dans cette théorie en présence de champs axioniques. Pour clore cette thèse, l'aspect thermodynamique de ces théories gravitationnelles sera étudié ; ce qui permettra de déterminer la masse et les charges de ces nouvelles solutions et d'étudier des phénomènes de transitions de phase en présence d'un champ scalaire conforme.

On étudie la cosmologie induite par un gaz parfait de supercordes à température finie. Les effets thermaux et quantiques du gaz de cordes génèrent un potentiel effectif au niveau d'une boucle. A certains points dans l'espace de modules où les masses des états génériquement massifs s'annulent, le potentiel effectif atteint des minima locaux. Les modules qui y sont attirés prennent des masses qui diminuent avec le temps, ce qui permet aux oscillations cohérentes des modules d'être diluées avant la nucléosynthèse. Ainsi le modèle ne rencontre pas le problème des modules cosmologiques. En particulier, on étudie la stabilisation des modules pour la cosmologie induite par i) un gaz de cordes hétérotiques maximalement supersymétriques, ii) un gaz de cordes de type II compactifiées sur un espace de Calabi-Yau de dimension complexe 3. Dans le 1er cas, les minima locaux du potentiel effectif apparaissent aux points de symétries de jauge étendues. Ceux-ci stabilisent tous les modules sauf le dilaton. Dans le 2ème cas, les minima locaux du potentiel effectif sont atteints où des 2- ou 3-sphères dans l'espace de Calabi-Yau s'évanouissent, produisant une transition conifold ou une extension du groupe non Abelien de jauge. Les états non massifs supplémentaires sont engendrés par des D-branes s'enroulant sur les sphères qui s'évanouissent et les modules stabilisés sont ceux qui contrôlent les volumes de ces sphères. Pour les deux cas, on étudie aussi respectivement les théories duales de type I maximalement supersymétrique et hétérotique compactifiée sur K3xT2. On trouve que les modules duaux sont stabilisés par des effets non perturbatifs impliqués par les dualités concernées.

L’intérêt majeur des travaux exposés dans cette thèse est d’explorer la chevelure des trous noirs dans des cadres plus généraux que celui de la Relativité Générale en tenant compte de la présence d’une constante cosmologique, de dimensions supplémentaires, de champs de matière exotiques ou de termes de courbure de rang plus élevé. Ces extensions de la Relativité Générale peuvent s’inscrire dans le cadre de la théorie des cordes. C’est en étudiant des extensions naturelles de la Relativité Générale que nous pouvons aussi mieux comprendre la théorie d’Einstein. Dans un premier temps, nous exposerons la théorie de la Relativité Générale avec notamment les principes sur lesquelles elle s’appuie et nous donnerons les éléments mathématiques dont nous avons besoin pour la suite. Puis, une première extension sera présentée avec l’introduction de dimensions supplémentaires et de champs de p-formes qui constituent la généralisation naturelle de l’interaction électromagnétique. Nous construirons dans ce cadre de nouvelles solutions statiques de trous noirs où les p-formes permettent de modeler la géométrie de l’horizon. Nous exposerons ensuite l’extension la plus générale de la théorie d’Einstein en dimension quelconque qui génère des équations du second ordre en la métrique : la théorie de Lovelock. Nous déterminerons dans ce contexte une large classe de solutions en dimension 6 pour laquelle la théorie se réduit à celle d’Einstein-Gauss-Bonnet avec toujours la présence de p-formes. Enfin, nous étudierons une généralisation de la Relativité Générale en dimension 4 dont la modification est induite par un champ scalaire couplé conformément à la gravitation. Nous exhiberons notamment une nouvelle solution de trou noir avec un horizon plat dans cette théorie en présence de champs axioniques. Pour clore cette thèse, l’aspect thermodynamique de ces théories gravitationnelles sera étudié ; ce qui permettra de déterminer la masse et les charges de ces nouvelles solutions et d’étudier des phénomènes de transitions de phase en présence d’un champ scalaire conforme. / The main interest of the work exposed in this thesis is to explore hairy black holes in a more general framework than General Relativity by taking into account the presence of a cosmological constant, of higher dimensions, of exotic matter fields or of higher curvature terms. These extensions to General Relativity can be derived in the context of String Theory. It is also by studying natural extensions to General Relativity that we can more deeply understand the theory of Einstein. Firstly, we will display the theory of General Relativity with its building blocks in particular and we will give the mathematical tools that we need afterwards. Then, a first extension will be detailed with the introduction of higher dimensions and p-form fields which constitute the natural generalization of the electromagnetic interaction. We will build in this framework new static black hole solutions where p-form fields allow to shape the geometry of the horizon. Secondly, we will present the general extension of Einstein theory in any dimension which produces second order field equations: Lovelock theory. We will determine in this context a large class of solutions in dimension 6 for which the theory is reduced to Einstein-Gauss-Bonnet theory with the presence of p-form fields. Thirdly, we will study a generalization of General Relativity in dimension 4 whose modification is induced by a conformally coupled scalar field. We will namely exhibit a new black hole solution with a flat horizon in the presence of axionic fields. To conclude this thesis, thermodynamical aspects of these gravitational theories will be studied. In this way, we will be able to determine the mass and the charges of these new solutions and we will examine phase transition phenomena in the presence of a conformally scalar field.

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'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.

Ce mémoire présente l'étude de configurations dépendantes du temps dans le formalisme de première quantification de la corde. Ces configurations sont exactes, c'est-à-dire qu'il est possible de trouver des solutions explicites de la théorie conforme à deux dimensions correspondante. Nous pouvons alors calculer perturbativement les amplitudes de corde et nous en servir pour comprendre l'interaction entre la géométrie dépendante du temps et la corde quantifiée. Après une présentation dans le premier chapitre de la démarche qui a mené à cette étude, le formalisme perturbatif de première quantification est exposé de manière détaillée dans un second chapitre et une partie des difficultés techniques sont résolues. Dans un troisième chapitre, nous expliquons les phénomènes physiques correspondant aux différentes configurations et nous exposons les résultats que nous avons obtenus. Enfin, un bref chapitre conclut et ouvre les perspectives de ce travail de thèse.

Un des aspects fascinants de la théorie des cordes, c'est qu'elle vit dans l'espace-temps de dix dimensions. Mais cela implique que, pour la relier à des observations phénoménologiques, elle devrait ȇtre compactifiées à quatre dimensions. Un cas particulièrement riche, mais toujours faisable correspond à la compactification sur une variété de Calabi-Yau qui donne à basse énergie une théorie effective avec la supersymétrie N=2. L'action de cette théorie est complètement déterminée par la métrique sur son espace des modules qui comporte deux composantes correspondant aux multiplets vectoriels et hypermultiplets. La première est classiquement exacte et bien comprise, alors que la dernière reçoit des corrections quantiques et est connue de porter une géométrie compliquée quaternion-Kählerrienne. Dans cette thèse, nous présentons nos résultats sur la description complète non-perturbative de l'espace des modules des hypermultiplets. Nous montrons comment toutes les corrections quantiques, qui comprennent des contributions perturbatives d'une boucle ainsi que celles non-perturbatives venant des D-branes et NS5-branes, sont incorporées dans le cadre de l'approche twisteurielle. Ce cadre, que nous élaborons ici en détail, fournit une description mathématique puissante des variétés hyperkähleriennes et quaternion-Kähleriennes et il est indispensable pour la formulation de la géométrie non-perturbative de l'espace des modules des hypermultiplets. Nous présentons également de nouveaux résultats sur la dualité-S, symétrie miroir quantique, les connexions à des modèles intégrables et aux cordes topologiques.